Elektrotechnika. Ing. Radim Vajda

Elektrotechnika Ing. Radim Vajda

Předmluva Tato publikace je určena studentům III. ročníku Střední odborné školy chemické akademika Heyrovského v Ostravě. Publikace se věnuje elektrotechnice a automatizaci v rozsahu, který studentům umožní rozšířit si znalosti z fyziky a dalších oborů, ve kterých se setkávají s elektrotechnickými nebo automatizačními zařízeními. Zvláštní poděkování patří Ing. Janě Vajdové, Bc. Lence Ďuríškové a Janě Kohoutové, kteří se podíleli na přípravě a tisku skript. autor

Vliv elektromagnetických polí a elektřiny na lidský organismus ............................................................................5 Fyziologické účinky elektrického proudu na lidský organismus .............................................................................5 Vlastnosti elektrotechnických materiálů..................................................................................................................6 Vodiče..................................................................................................................................................................6 Rezistor ....................................................................................................................................................................8 Vlastnosti rezistorů: .............................................................................................................................................8 Dělení podle hodnoty odporu: .............................................................................................................................8 Dělení podle technologie: ....................................................................................................................................8 Kondenzátory...........................................................................................................................................................9 Vlastnosti kondenzátorů: .....................................................................................................................................9 Druhy kondenzátorů: ...........................................................................................................................................9 Cívky .....................................................................................................................................................................10 Druhy cívek: ......................................................................................................................................................11 Polovodiče .............................................................................................................................................................12 Vlastnosti polovodičů ........................................................................................................................................12 Druhy polovodičových diod : ............................................................................................................................12 Tyristor ..................................................................................................................................................................13 Tranzistory.............................................................................................................................................................14 Bipolární tranzistory ..........................................................................................................................................14 Unipolární tranzistory ........................................................................................................................................15 Shrnutí: ..............................................................................................................................................................15 Usměrňovače .........................................................................................................................................................16 Krytí elektrických zařízení.....................................................................................................................................18 Chlazení elektrických zařízení ...............................................................................................................................18 Provoz zařízení v prostorách s nebezpečím výbuchu ............................................................................................19 Z hlediska nebezpečí požáru nebo výbuchu se výbušiny třídí takto ..................................................................20 Instalace v prostředí V1: ....................................................................................................................................20 Instalace v prostředí V2 .....................................................................................................................................20 Instalace v prostředí V3: ....................................................................................................................................21 Instalace ve složitém prostředí:..........................................................................................................................21 Elektrická zařízení a vliv prostředí ........................................................................................................................22 Elektrický oblouk...................................................................................................................................................23 Elektrické přístroje.................................................................................................................................................24 Zkrat...................................................................................................................................................................24 Přepětí................................................................................................................................................................25 Pojistka ..............................................................................................................................................................26 Jistič ...................................................................................................................................................................27 Proudový chránič ...............................................................................................................................................29 Přepěťové ochrany .............................................................................................................................................30 Vypínače ............................................................................................................................................................32 Bezkontaktní spínače .........................................................................................................................................35 Hybridní spínače ................................................................................................................................................36 Elektromagnet....................................................................................................................................................37 Elektrické stroje .....................................................................................................................................................38 Tvary elektrických strojů ...................................................................................................................................38 Transformátor ....................................................................................................................................................39 Stejnosměrný stroj .............................................................................................................................................41 Asynchronní stroj...............................................................................................................................................43 Synchronní stroj.................................................................................................................................................48 Výroba elektrické energie. .....................................................................................................................................50 Podíl zdrojů na výrobě .......................................................................................................................................50 Tepelné elektrárny .............................................................................................................................................51 Jaderná elektrárna ..............................................................................................................................................54 Vodní elektrárny ................................................................................................................................................56 Osvětlení ............................................................................................................................................................60 Automatizace .........................................................................................................................................................62 Důvody automatizace ........................................................................................................................................62 Očekávání od automatizace ...............................................................................................................................63 Automatizační prostředky..................................................................................................................................63 Snímače polohy..................................................................................................................................................63 Kapacitní snímače..............................................................................................................................................65 Optické snímače.................................................................................................................................................65 Měření teploty....................................................................................................................................................66

Měření tlaku ...................................................................................................................................................... 72 Měření výšky hladiny........................................................................................................................................ 76 Měření průtoku a proteklého množství ............................................................................................................. 80 Měření složení................................................................................................................................................... 85 Typy regulačních obvodů.................................................................................................................................. 93 Teoretický základ logického řízení ................................................................................................................... 95 Seznam použité literatury...................................................................................................................................... 97




































































































Poznámky:











Při studiu účinků elektromagnetického pole záleží na indukci magnetického pole, tvaru pole, kmitočtu, individuální citlivosti objektu a na řadě dalších faktorů. Vzhledem k tomu, že se jedinec po celý život setkává s nejrůznějšími magnetickými poli, je třeba uvažovat o určité adaptibilitě vytvářené během celého vývoje (viz následující tabulka vybraných zdrojů magnetického pole). Magnetická indukce (mT) na hlavu na trup

Indukovaný proud Biologická odpověď (mA/m)

250

60

1000

25 – 250

6 - 60

100 - 1000

2,5 – 25

0,6 – 60

10 – 100

0,25 – 2,5 0,25

0,06 – 0,6 0,06

1 – 10 1



























































možné extrasystoly a ventikulární fibrilace, značné zdravotní nebezpečí změny v dráždivosti centrál. nerv. syst., možné zdravotní poškození výrazný terapeutický efekt, objevení se magnetosfémů, příznivý vliv na nerv. systém, snadnější hojení ran a zlomenin minimální biolog. efekt Žádný efekt 


















































Příčinou smrti při úrazech elektřinou bývá nejčastěji: křečovité stažení srdečního svalu nebo svalů hrudníku (plic) spojené se ztrátou vědomí, při němž nastává zadušení, fibrilace srdečních komor, kterou způsobuje jen střídavý proud průmyslové frekvence; místo pravidelného smršťování srdečního svalu nastane nepravidelné chvění s hmatatelným pulsem, které postupně slábne až se úplně přeruší; někdy je možná záchrana včasným poskytnutím vnější masáže srdce se současným poskytováním umělého dýchání, defibrilaci a vnitřní masáži srdce po chirurgickém zákroku; popáleniny vysokého stupně a ve velkém rozsahu, které mohou být při stejnosměrném proudu spojené s elektrolytickými účinky (rozkladem krve).

El. proud v mA do 1 1–4 4–5 5–7

Pocity a účinky počátek pocitu u většiny lidí při 0,5 - 0,6 mA brnění rukou chvění rukou prsty lze téměř vždy rozevřít a vyprostit z kontaktu

8 – 13

křeče rukou, vyproštění prstů z kontaktu násilím

15 – 20 20 – 25 25 – 50 50 – 100 nad 100

je možné pouze

postižený, který uchopil pevně předmět pod napětím, nemůže jej obvykle uvolnit bez cizí pomoci křeče působící na celý organismus, zrychlení dechu, bez následků ochromení srdeční činnosti, někdy bezvědomí, záchrana možná těžké bezvědomí s vážnými následky, nebezpečí smrti zpravidla smrt





































































Poznámky: Materiály dělíme podle vodivosti na vodiče, polovodiče a izolanty. Vodiče Mezi vodiče patří všechny kovy, které jsou základním materiálem pro výrobu kabelů, kontaktů, vinutí strojů, apod. Zpravidla u nich požadujeme minimální elektrický odpor, maximální pevnost v tahu, tvrdost, odolnost proti otěru a korozi. Příčinou jejich vodivosti jsou volné elektrony. Kovy mají v pevném skupenství polykrystalovou strukturu. Jádra atomů, které tvoří krystalovou mřížku, mají kladný náboj. Vazby mezi jádrem atomů a valenčními elektrony jsou velmi volné, elektrony se pohybují neuspořádaně ve všech směrech. Připojí-li se kovový vodič ke zdroji napětí, stane se tento pohyb uspořádaný ve směru vektoru intenzity elektrického pole E. Nazýváme jej elektrický proud I. Jeho plošnou hustotu označíme J =

I , kde S je S

průřez vodiče. Platí, že J = γ .E , kde γ je měrná vodivost (konduktivita) materiálu. Jedná se o základní vyjádření Ohmova zákona (diferenciální tvar), který platí v každém místě vodiče. Po jeho sumarizaci (integraci) zavedením obvodových veličin proudu a napětí získáme

U . I Platí: γ = n.e.b , kde n je počet elektronů v jednotce objemu, e náboj vzorec Z =

elektronu (1,602 10-19 C) a b pohyblivost elektronu. Vidíme tedy, že vodivost každého kovu určuje především jeho vnitřní struktura. Jednotkou měrné vodivosti je siemens na metr [S.m-1]. V praxi používáme její převrácenou hodnotu, která se nazývá měrný odpor (rezistivita) ρ [Ω.m]. U kovů bývá 10-8 až 10-5 Ω.m. Krystalová mřížka kovů klade uspořádanému pohybu volných elektronů určitý odpor. Ten závisí na délce l, průřezu S a materiálu vodiče

R=ρ

l . S

Odpor kovů se udává při teplotě 20°C a roste s teplotou přibližně lineárně (v rozsahu 0 ÷ 100 °C). Rt = R20°C (1 + αR (t – 20)), kde αR je teplotní součinitel odporu. Teplotní součinitel odporu udává, o jakou hodnotu se změní odpor 1 Ω vodiče, zvýší-li se jeho teplota o 1 K. U většiny kovů má hodnotu 0, 004 K-1. Vzrůst odporu kovů s rostoucí teplotou vysvětlujeme tepelným pohybem jader atomů, které tak brání volným elektronům v pohybu. Při hlubokém ochlazení některých kovů nebo slitin pod tzv. kritickou teplotu, která je v blízkosti absolutní nuly, klesne náhle odpor na velmi malou, téměř nulovou hodnotu. Tento jev nazýváme supravodivost.

Nejčastěji používané vodiče • Měď (Cu) – 0,017 241 µΩ m, α = 0,003 93 K-1. Má vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Přidáním příměsí se měrný odpor zvyšuje. Na jejím povrch vzniká červená vrstva kysličníků, která chrání povrch před korozí. Má dobré mechanické vlastnosti, je tvárná za studena i za tepla. Podle mechanických vlastností se dělí na měkkou (např. kabely, šňůry, vinutí), polotvrdou a tvrdou (např. vodiče velmi vysokého napětí). Není odolná proti kyselinám. Dobře se pájí i svařuje. • Hliník má 1,6 krát větší měrný odpor než měď. Proto při náhradě měděného vodiče hliníkovým musí být použit 1,6x větší průřez, což znamená 1,27x větší průměr. Jeho hmotnost oproti mědi je poloviční. Je levnější než Cu, ale má horší mechanické vlastnosti, hlavně nízkou mez tečení. Spoj dotažený šroubem má snahu se uvolnit a vzniká na něm přechodový odpor. Proto je třeba používat na silnoproudé hliníkové vodiče vhodné typy svorek (pružné kontakty). • Stříbro (Ag) je nejlepším vodičem elektrického proudu a tepla. Pro svou vysokou vodivost se používá k postříbření vysokofrekvenčních obvodů, např. postříbřený drát nebo dutiny rezonátorů. Ze slitin stříbra se vyrábějí kontakty a vodivé pájky. • Zlato (Au) je odolné proti korozi, dobře slévatelné, tvárné, dá se dobře zpracovávat tažením i válcováním. Používá se na kontakty a tenké propojovací vodiče uvnitř integrovaných obvodů.

Poznámky:















Poznámky:

Vlastností je elektrický odpor žádané velikosti

, respektive

vodivost o velikosti , kde S – průřez; l – délka vodiče Závislost odporu na teplotě - odpor se mění v závislosti na oteplení podle vzorce Vlastnosti rezistorů:

, kde R1 je odpor při 20oC.

Tolerance – odchylka od jmenovité hodnoty. Jmenovité zatížení – výkon, který se za určitých podmínek stanovených normou smí přeměnit na teplo aniž by teplota povrchu překročila přípustnou velikost. Provozní zatížení – je určeno nejvyšší teplotou povrchu, při které ještě nenastávají trvalé změny jejího odporu a krácení jejího života. Nejvyšší dovolené napětí – napětí mezi vývody. Při překročení napětí může dojít k poškození. Teplotní součinitel – dovoluje určit změnu odporu způsobenou změnou teploty. Šumové napětí – vzniká nerovnoměrným pohybem elektronů v materiálu, vlivem toho vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu - tzv. elektronický šum obvodu. Dělení podle hodnoty odporu: pevné proměnné (potenciometry) Dělení podle technologie: vrstvové drátové





















Poznámky: Princip: Po přivedení napětí na desky kondenzátoru, se atomy dielektrika polarizují. Elektrony na desce se mezi sebou vzájemně odpuzují elektromagnetickými silami. Čím blíže jsou desky u sebe, tím více jsou elektrony přitahovány opačným pólem druhé desky a snaží se přeskočit na druhou stranu → nemají už tolik síly se na desce mezi sebou odpuzovat → na desku se vejde vedle sebe více elektronů → větší kapacita. Desky kondenzátoru musí být alespoň minimálně tak daleko, aby se mezi ně

elektrony vůbec vešly. Velikost kapacity je dána vztahem kde S – plocha desek; d – jejich vzdálenost Vlastnosti kondenzátorů:

,

Jmenovitá kapacita – výrobcem udávaná kapacita Provozní napětí – je největší napětí, které může být trvale na kondenzátoru připojeno, nepřesáhne-li teplota okolí 40°C, rovná se jmenovitému. Při vyšších teplotách je nutné napětí snížit. Izolační odpor – odpor mezi elektrodami kondenzátoru měřeném při stejnosměrném napětí a teplotě 20°C 1GΩ¸100-ky GΩ Tolerance – v % u vzdušných písmenem ±1% až ±20%, v pikofaradech, elektrolitická – je nesymetrická –10+30% Provozní napětí – závislé na teplotě okolí

Poměrné provozní napětí – Druhy kondenzátorů: Podle technologie: • vzduchové: malá kapacita – dnes se nepoužívají • papírové: baleno tak, aby kondenzátor měl co nejmenší indukčnost, malá odolnost vůči vysokému napětí • metalizované: do 1µF • slídové: elektrody napařené na tenké destičky z jakostní slídy (výborné dielektrikum), spojeny paralelně pro požadovanou kapacitu, malé ztráty, úzké tolerance, časová i teplotní stabilita), nelze je tvarovat → příliš velké • plastové: velká elektrická pevnost, malý ztrátový činitel, velký izolační odpor, nestálá kapacita vzhledem k teplotě

•

keramické: teplotně stálé - nahradily slídové kondenzátory, nemůžou se vyrábět velké hodnoty pro VF, stálá ale menší kapacita řádově 1pF až 100pF (jednotky až stovky), dielektrikum tvoří keramika • elektrolytické: elektroda polarizována kladně, elektrolyt záporně; desky jsou hliníkové (Al), dielektrikum je oxid desky kondenzátoru (Al2O3); elektrolyt se nesmí napěťově namáhat a nesmí se přepólovat; většinou se přemosťují keramickým kondenzátorem kvůli setrvačnosti elektrolytu Podle použití: • ladící – opakované změny kapacity, (často, 10-100 pF, vzduchové dielektrikum,jedna elektroda se zasouvá do druhé) • dolaďovací – občasné doladění obvodů (nastavení, 1-ky pF, trubičkové) 







Vytváří vlastní indukčnost definované velikosti.

Skin efekt - povrchová vodivost. Při průchodu střídavého proudu vodičem vzniká v jeho okolí časově proměnné magnetické pole, toto pole vstupuje rovněž do téhož vodiče a indukuje v něm napětí, které při konstantní frekvenci proudu je tím větší, čím větším magnetickým polem je vodič obklopen. Indukované napětí je největší k ose vodiče a směrem k jeho povrchu se zmenšuje. Vlivem toho vznikají uvnitř vodiče proudy, které se podle Lentzova pravidla snaží zmenšit změny, které je vyvolaly. Výsledkem je nerovnoměrné rozložení proudové hustoty ve vodiči. V prostředku vodiče je téměř nulová, na povrchu maximální. Jelikož je cívka tvořena smotaným drátem, má i určitý nezanedbatelný odpor, který způsobuje ztráty.

Proto u cívky určujeme tzv. činitel jakosti: Pro velkou jakost cívky a pro vysoké frekvence se používá stříbro, zlato a platina.

Poznámky:

Druhy cívek: •

jednovrstvové a vícevrstvové bez jádra – z pevného drátu (bez kostry, s kostrou), plošné cívky, 1-ky mH → 1-ky mH (výjimečně) • s jádrem – nízkofrekvenční (tlumivky, 1-ky H, jádra z transformačních plechů, pásků, které jsou oddělené lakem) a vysokofrekvenční (100-ky mH, feritové jádra – Fe, Co, Ni). Jako jádra se používají materiály: • železo (Fe) – do 1kHz • mosaz – špatné feromagnetikum, ale lze ho použít i na vyšší frekvence • feroty – do 100MHz o Ideální cívka - ϕ = 90 Skutečná cívka: paralelně – tg ϕ = Il/Ir = Rp/ωLp = Q = 1/tg υ - činitel jakosti

sériově – Q = tgϕ = Ul/Ur = ωLs/Rs - činitel jakosti

Poznámky:




















Poznámky: Vlastnosti polovodičů Polovodiče jsou materiály ze 4. skupiny Mendělejevovy tabulky. Nejznámější jsou germanium (Ge) a křemík (Si). Každý atom má 4 vazby, pomocí kterých se váže na sousední atomy. V čistém polovodiči nejsou volné elektrony, proto vodí špatně elektrický proud. Polovodič N Přidáme-li k prvku 4. skupiny příměs prvku 5. skupiny (např. arsén – As), bude při vzájemných vazbách mezi atomy mít atom příměsi jednu vazbu navíc - volný elektron. Atom proto nazýváme donorem. Volný elektron je nositelem elektronové vodivosti. Polovodič P Přidáme-li k prvku 4. skupiny prvek 3. skupiny zvaný akceptor (např. Indium – In), bude jeden elektron chybět.Vznikne kladný náboj - díra, polovodič má děrovou vodivost.

Obrázek a/Struktura atomů čistého polovodiče; b/polovodič typu N; c/ polovodič typu P Druhy polovodičových diod : Diody pro síťové usměrňovače Diody pro síťové usměrňovače jsou plošné diody určené pro usměrnění proudů řádově jednotek až desítek ampér při napětí desítek až stovek voltů technických frekvencí. Jsou vyráběny z křemíku převážně difúzní technologií. Základní destička má nevlastní vodivost typu N. Na ní se difúzí boru nebo galia vytvoří vrstva typu P. Silně dotovaná vrstva N+ umožňuje neusměrňující dobře vodivé spojení krystalu s kovovou podložkou, která pomáhá odvádět teplo a tvoří vývod katody. Vrstva niklu vytváří neusměrňující spojení s vývodem anody. Důležité vlastnosti usměrňovacích diod popisuje katalog. Pro diodu KY 130/600 se uvádí : střední usměrněný proud Ifav <=300 mA, největší anodové napětí v přímém směru UF < 1 V, napětí ve zpětném směru UR < 600 V, proud ve zpětném směru IR <= 10 mA, při UR = 600 V a teplotě +25 °C.

Diody vyzařující světlo – LED LEDky jsou diody, které vyzařují kvanta energie, pokud je vlnová délka tohoto záření ve viditelném spektru můžeme ji vidět. Dělí se podle typu: půlkruhová, plošná, hranově emitující. Světlo vychází z místa přechodu a jen pokud je dioda zapojená v propustném směru. Na LEDce je úbytek podle barvy UF = 1,5 – 2 V a maximální proud

asi IF = 10-20 mA -> 













Jedná se o čtyřvrstvou spínací součástku vyrobenou z Si, ve které jsou nad sebou vytvořeny tři přechody PN. Vnější vrstva P je anodou, vnější vrstva N je katodou tyristoru. Těmito elektrodami prochází celkový výstupní proud, ten může u některých typů dosahovat až stovek ampérů! Jedna z vnitřních vrstev je vyvedena jako řídící elektroda G. Bude-li řídící elektroda odpojena a přiložíme-li na anodu malé kladné napětí proti anodě, otevřou se přechody J1 a J3. Přechod J2 zůstává uzavřen, neboť do vrstvy N proniká kladné napětí přes otevřený přechod J1 a do vrstvy P záporné napětí přes otevřený přechod J3. Nyní je tyristor zablokován. Odpor mezi katodou a anodou je několik megaohmů. Při zvyšování napětí mezi anodou a katodou dojde ke zvětšování intenzity elektrostatického pole v oblasti J2. Při určité velikosti tohoto napětí dosáhne intenzita pole své kritické hodnoty a dochází k ionizaci krystalové mřížky – odpor se rychle zmenší až na desetiny až setiny ohmu! Přestože stoupl proud, kleslo napětí na 1 až 2V. Tyristor přešel do sepnutého (vodivého) stavu. Doba potřebná k ionizaci se nazývá zapínací doba (asi 1µs a označuje se ton). Pokud chceme sepnout tyristor již při nižším napětí než UB0, musíme přivést do oblasti uzavřeného přechodu J2 volné nosiče náboje (proudem do G). Elektrostatické pole je využije k vytrhávání nosičů náboje z vazeb a dojde až k sepnutí tyristoru. Velikostí proudu Ig můžeme řídit velikost spínacího napětí UB. Pokud IG = IGT přechází tyristor plynule do sepnutí a jestliže IG>= IGT nevzniká blokovací stav tzn. tyristor se chová jako usměrňovací dioda. Důležité je, že k udržení vzniklé ionizace krystalové mřížky postačí průchod anodového proudu většího než tzv. přídržný proud IH. Proud IG může zaniknout. Proto je možné uvést tyristor do trvale sepnutého stavu pouze krátkým impulsem IG. Velikost spínacího napětí závisí také na rychlosti, kterou roste napětí mezi anodou a katodou. Jedná se o tzv. kritickou strmost růstu anodového napětí (1 až 100 V/µs).

Poznámky:





















Poznámky: Tranzistory dělíme na: • BIPOLÁRNÍ – děrová i elektronová vodivost (jedna je vždy v menšině - minoritní, druhá ve většině - majoritní) Podle vodivosti báze na PNP a NPN • UNIPOLÁRNÍ – pouze děrová nebo elektronová vodivost Podle typu vodivého kanálu: • s vodivým kanálem typu P • s vodivým kanálem typu N Podle technologie: • J-FET – Gate má oddělen potenciálovou bariérou • JUG-FET – bariéra se vytváří PN přechodem • MES-FET – bariéra se vytváří přechodem kovpolovodič • IG-FET – Gate má oddělen mechanicky • MIS-FET – má kovový Gate izolovaný od polovodiče • MOS-FET – má kovový Gate od polovodiče izolovaný oxidem Bipolární tranzistory Základní zapojení tranzistoru: • se společným emitorem - nejčastější • se společnou bází • se společným kolektorem Tranzistor se společným emitorem Pro zapojení tranzistoru se společným emitorem je charakteristickou vlastností jeho univerzálnost. Zapojení SE má velké jak proudové, tak i napěťové zesílení, z toho vyplývá, že výkonové zesílení které je dáno součinem zesílení napěťového a proudového bude také velmi značné. Toto zapojení tranzistoru otáčí fázi o 180°. Jestliže vložíme do emitorového výstupu tranzistoru paralelně k odporu RE kondenzátor CE zvedne se nám zesílení na vyšších frekvencích. Pracovní bod tranzistoru je stabilizován zápornou zpětnou vazbou v emitoru. Toto zapojení je nejpoužívanější druh zapojení tranzistoru v elektrotechnice.

Unipolární tranzistory Tranzistory řízené elektrickým polem – FET (Field Electric Tranzistor).Tento typ tranzistoru nemá dva polovodičové přechody a při řízení činnosti využívá pouze nosiče náboje jednoho druhu (díry nebo elektrony). Proud nosičů náboje se neovládá proudem ale elektrickým polem – napětím. Mohou být s vodivým kanálem typu P nebo N. MOS-FET s indukovaným kanálem Místo kanálu s vodivostí N je použit čistý polovodič ⇒ pokud přivedeme na kolektor S a emitor D napětí (napětí na UG = 0) nebude kanálem protékat proud (což je změna oproti MOS-Fetu s izolovaným kanálem). Jinak zapojení a ostatní princip je stejný – při zvyšování napětí UG budou opět elektrony z P přitahovány do kanálu a proud IC bude stoupat (samozřejmě až od určité hodnoty UG – tzv. prahového napětí). Schematická značka:

G

D Su S

Shrnutí: Rozdíly mezi bipolárním a unipolárním tranzistorem Běžnější jsou tranzistory bipolární, které mají dva polovodičové přechody a tři elektrody zvané báze, emitor a kolektor. Při činnosti se pohybují proti sobě nositelé záporného náboje (elektrony) a nositelé kladného náboje (díry). Na vstupní elektrodu (bázi) musíme přivést napětí a vyvolat vstupní proud. Unipolární tranzistory pracují s nosiči pouze jednoho druhu, buď se zápornými nebo kladnými. Vstupní proud se ovládá pouhým napětím na vstupní elektrodě. Proud jím prochází vždy, i když na vstupní elektrodě není žádné napětí (kromě MOS-FET s indukovaným kanálem). Proti bipolárním tranzistorům mají tyto tranzistory nesrovnatelně větší odpor (řádově o 106Ω).

Poznámky:






















Poznámky: Nejjednodušším představitelem je jednocestný usměrňovač.

Jednocestný usměrňovač využívá jen jednu ze dvou půlperiod přiloženého napětí. To může být i výhoda, např. když potřebujeme snížit střední hodnotu napětí, např. pro stejnosměrný motor s nižší jmenovitou hodnotou napětí než je ta, kterou usměrňujeme, nebo pro žárovku, chceme-li úsporné osvětlení. Obecně lze říci, že jednocestný usměrňovač použijeme tam, kde nám nevadí, že nevyužijeme celou periodu. Výhoda jednocestného usměrňovače je také v jeho jednoduchosti a tedy nízké ceně. Usměrňovač, který využívá obou půlperiod napětí, nazýváme dvoucestný. Pro jeho konstrukci pak potřebujeme minimálně dvě diody a transformátor se sekundárním vinutím s vyvedeným středem

Obě diody se ve vedení proudu v každé půlvně střídají, vede-li např. v první půlvně horní dioda, vede ve druhé půlvlně spodní dioda atd. Střední proud každé z diod je tedy dán stejným vztahem jako pro jednocestný usměrňovač, střední proud zátěží bude dvojnásobný, tj. 2Io/π. Tím jsou dány i požadavky na diody: každá musí být dimenzována na minimálně polovinu středního proudu, který se předpokládá zátěží a každá musí být dimenzována (pro čistě odporovou zátěž) na celou amplitudu střídavého napětí, které je na sekundáru transformátoru, v závěrném směru.

Pro případ, že nemáme k dispozici transformátor s dvojitým, bifilárně vinutým sekundárním vinutím, můžeme pro dvojcestné usměrnění použít tzv. Graetzovo nebo můstkové zapojení.

U tohoto zapojení prochází proud v každé půlvlně dvěma diodami v sérii se zátěží. Z hlediska požadavků na proudové zatížení diod se tím nic nemění ve srovnání s předchozím zapojením dvoucestného usměrňovače; každou z diod je tedy potřeba dimenzovat na polovinu předpokládaného středního proudu, který poteče zátěží.

Poznámky:














































Poznámky: Kód IP je kód pro označení druhu krytí elektrických strojů a přístrojů jako evropská norma EN 60529. Tento kód definuje soubor opatření, kterými se stroj nebo zařízení zajišťují před vniknutím cizích předmětů a vody, a které chrání obsluhující osoby před úrazem. IP X1)X2) X3)X4) IP International Protection 1) První číslice 0 až 6 nebo písmeno X – proti vniknutí těles nebo ochrana osob 2) Druhá číslice 0 až 8 nebo písmeno X – proti vniku vody 3) Přídavné písmeno A, B, C, D – nepovinné, ochrana před nebezpečným dotykem 4) Doplňující písmeno H, M, S, W – nepovinné




















































































































































0 1 2 3 4 5 6

ochrana před nebezpečným dotykem bez ochrany bez ochrany průměr do 50 mm hřbetem ruky průměr do 12,5 mm prstem průměr do 2,5 mm nástrojem průměr do 1 mm drátem proti prachu drátem prachotěsný drátem

0 1 2 3 4 5 6 7 8

proti vniknutí vody bez ochrany svislé kapky kapky odchýlené o 15° rozprášená voda stříkající voda tryskající voda silný proud vody dočasné zaplavení trvalé ponoření

proti vniknutí pevných těles




































































Chlazení – proces jehož prostřednictvím se odvádí ztrátové teplo z elektrického zařízení. Označení IC Xa) Xb) Xc) Druh chladícího média 





A F H N C W U



!

"

#

$

%

vzduch freon vodík dusík oxid uhličitý voda olej











































































Poznámky: Nová zařízení musí být zrevidována podle ČSN 33 2200-6-61. Pravidelné revize se provádí podle ČSN 33 1500. Zařízení která byla delší dobu mimo provoz musí být prohlédnuta. Je-li tato doba delší, jak stanovuje místní předpis, potom musí být podrobena periodické revizi. Po ukončení každé práce na el.zařízení, se přezkouší izolační stav a provozuschopnost zařízení. Jakákoliv prozatímní zařízení se v těchto prostorech zakazují! Napojení těchto objektů je jak pro silnoproud, tak i pro slaboproud prováděno pouze kabely uloženými v zemi. Nad těmito objekty nesmí křižovat jakékoli elektrické vedení. Rozvody instalace musí být opatřeny výkonovým vypínáním a vypínač musí být na snadno dostupném a přehledném místě zřetelně označeném a obsluhované i pracovníky bez elektrotechnické kvalifikace, pracovníky provozovatele. Polohy vypínačů zapnuto - vypnuto musí být trvale označeny. Povrchová teplota elektrických zařízení nesmí překročit teplotu o 50°C nižší, než je teplota vzduchu nebo rozkladu výbušiny, nejvýše však teplotu 160 °C. Ochrana před nebezpečným dotykovým napětím se provádí podle ČSN 33 2200-6-61 s rozdělením sítě TN-S, kde vodič PE a N se spojuje až v rozvaděči. Ochrana před účinky statické elektřiny musí být provedena podle ČSN 33 2030 a ČSN 33 2031. Elektrická zařízení musí dále splňovat požadavky ochrany před účinky zápalných mechanických jisker podle ČSN 42 1408. Ruční nářadí a jiné spotřebiče se mají používat v třídě II. a III. Ruční svítidla musí být vždy ve třídě II. nebo III. s pracovním napětím 24 V. Podmínky pro používání těchto spotřebičů musí být uvedeny v místních bezpečnostních předpisech. Kontrola a revize těchto spotřebičů se provádí podle ČSN 33 1600 a ČSN 33 1610. Poškozené nářadí musí být vyřazeno z užívání a musí být zajištěno před možným použitím. Ruční nářadí nesmí být pro použití v místech, kde by mohlo dojít k iniciaci výbušniny. Spotřebiče a pohyblivé přívody se musí jednou za 14 dní prohlédnout a změřit izolační stav. Poškozená zařízení musí být odstraněna z užívání . O měření musí být veden písemný záznam. Elektrické stroje se musí pravidelně čistit na povrchu i uvnitř ve lhůtách stanovených v protokolu. Nátěry elektrických zařízení se musí obnovovat takovým zbarvením, aby usazená výbušina byla dobře viditelná. Prostředí se stanovuje podle ČSN 33 2000-3, přičemž se přihlíží k vlastnosti a stavu výbušin, možnosti styku s elektrickým zařízením a působením ostatních vlivů prostředí. Komise zpracuje příslušný materiál a vydá protokol. Prostředí se vyznačí do dokumentace.

Z hlediska nebezpečí požáru nebo výbuchu se výbušiny třídí takto: • V 1 - výbušina nepráší, neodpařuje se, nesublimuje a k iniciaci elektrickým proudem může dojít jen za zcela výjimečných situací • V 2 - výbušina práší, odpařuje se, sublimuje jenom výjimečně a k iniciaci elektrickým proudem může dojít pouze výjimečně • V 3 - výbušina práší, odpařuje se, sublimuje kdykoliv a k iniciaci elektrickým proudem dochází trvale Instalace v prostředí V1: • •

krytí živých částí dávajících popud k iniciaci kdykoliv je IP44 krytí živých částí dávajících popud k iniciaci výjimečně je IP43 • jiskrově bezpečná zařízení v třídě zápalnosti II. a jiskrové bezpečnosti ic musí být v krytí IP 43 Svítidla musí mít krytí IP44, jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou musí mít ochranný koš nebo sklo a musí vyhovovat rázové zkoušce 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt. Bez ochranného krytu nesmí být tělesa zainstalována nad zařízením s výbušninou Hlavní rozvaděče jsou v těchto prostorách zakázány Podružné rozvaděče musí být v krytí IP 44 Dveře rozvaděčů musí být z nehořlavých materiálů Elektroinstalační výrobky mohou být též v provedení venkovním Instalace v prostředí V2: Krytí živých částí dávajících popud k iniciaci kdykoliv: • krytí IP 54 • v pevném závěru • v kapalinovém závěru • v závěru s vnitřním přetlakem • ve speciálním závěru Krytí živých částí dávajících popud k iniciaci jen výjimečně: • v krytí IP 44 • v zajištěném provedení v krytí IP 44 • jiskrově bezpečná zařízení musí být v třídě zápalnosti II. a jiskrové bezpečnosti „ic" a v krytí alespoň IP 44 Svítidla v krytí IP 54, v pevném závěru, v kapalinovém závěru, v závěru s vnitřním přetlakem, ve speciálním závěru a jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou musí být opatřena ochranným krytem, vyhovující mechanické zkoušce s energií 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt. Svítidla bez ochranného krytu nesmí být montovány nad výbušinami. Hlavní rozvaděč není v tomto prostoru povolen instalovat podružný rozvaděč musí mít krytí alespoň IP 54. Kryty rozvaděčů musí být nehořlavé. Elektroinstalační výrobky mohou být též v provedení těsně zavřeném

Poznámky:

Instalace v prostředí V3: Živé části dávající popud k iniciaci kdykoliv: • krytí alespoň IP 65 • v pevném závěru • v závěru s vnitřním přetlakem Živé části dávající popud k iniciaci výjimečně: • v krytí IP54 • v zajištěném provedení s krytím IP 54 • jiskrově bezpečná zařízení v třídě zápalnosti II. a jiskrové bezpečnosti ic a v krytí IP 54 Svítidla v krytí IP 65, v pevném závěru nebo v závěru s vnitřním přetlakem a jsou-li níže jak 2,6 m nad podlahou musí být opatřena ochranným krytem, vyhovující mechanické zkoušce s energií 7 J. Zářivky musí mít souvislý kryt. Instalace ve složitém prostředí: Instalace v prostorách s nebezpečím požáru nebo výbuchu musí ještě odpovídat svým krytím a provedením ostatním druhům stanovených prostředí.

Poznámky:





























































Poznámky: Na každé elektrické zařízení působí jeho okolí a naopak. Toto působení je definováno v elektrotechnických předpisech (ČSN 33 2000–3) jako vnější vlivy. Je třeba, aby elektrické zařízení bylo vybráno a instalováno v souladu s požadavky, které jsou dány vnějším prostředím. Vnější prostředí se třídí do stupňů. Každý stupeň vnějšího vlivu je označen dvěma písmeny velké abecedy a číslicí. První písmeno označuje všeobecnou kategorii vnějšího vlivu: A = prostředí B = využití C = konstrukce budovy Prostředí Zahrnuje vlastnosti okolí vytvořené jím samým nebo předměty, zařízeními apod. v prostoru umístěnými. Jedná se o tyto povahy vnějšího vlivu: teplota okolí, vlhkost, nadmořská výška, přítomnost vodní masy, výskyt cizích těles, výskyt korozívních nebo znečisťujících látek, mechanické namáhání, výskyt flóry či fauny, přítomnost elektromagnetických, elektrostatických a ionizujících působení, sluneční záření, seizmické účinky, četnost výskytu bouřek a pohyb vzduchu. Využití Znamená uplatnění objektů nebo jejich částí dané: vlastnostmi osob vycházejících z jejich duševních a pohybových schopností, stupně jejich elektrotechnických znalostí, elektrického odporu lidského těla, četností osob v prostoru a možností jejich úniku, vlastnostmi zpracovávaných látek Konstrukce budov Je souhrn vlastností budovy vyplývající z povahy užitého konstrukčního a dekorativního materiálu, provedení budovy a její fixace k okolí.





























Poznámky: Definice elektrického oblouku: Elektrický oblouk je výboj hořící v plynu, schopný samostatné existence, pokud jej nepřerušíme vhodným zásahem do jeho mechanizmu. Prakticky se jedná o změnu kapalného (plynného) prostředí na plazmatické skupenství, které umožní vedení elektrického proudu napříč tímto prostředím. Tento proces se nazývá ionizace. Existují dva způsoby ionizace plynu: • Tepelná ionizace – vlivem zahřívání plynu dochází k zrychlenému pohybu částic v plynu způsobující nepružné srážky, a tím vznik elektronů. Tento princip se uplatňuje u vypínání pojistkou a všech kontaktních přístrojů. • Nárazová ionizace – vlivem velké energie se z osamocených volných nosičů náboje v izolantu vytvoří další volné částice, vzniká lavina a elektrický průraz. Tento princip se uplatňuje u bleskojistek a kontaktních přístrojů u zapínání (vn, vvn) Vlastnosti elektrického oblouku • Elektrický oblouk se projevuje vysokou teplotou rostoucí s tlakem (10-ky tisíc K). • Malý úbytek mezi elektrodami. • Vysoká proudová hustota především v oblasti katody (108 A/m) • Intenzivní vyzařování energie v celém spektru (světelná, tepelná energie). Z těchto vlastností je patrné, že oblouk je nežádoucí prvek, napadající všechny materiály. U spínání elektrického obvodu doba hoření nesmí překročit únosnou míru (10-100 µs). Je nutné najít takovou rychlost, aby oblouk nehořel příliš dlouho, ale aby nedošlo k odskoku kontaktů. Při vypínání dochází vždy k oblouku, proto musí být vypínače vybaveny zhášedly. Mezní doba hoření oblouku je 30 ms.


































Poznámky: Zkrat Zkrat je vzájemné vodivé spojení různých fází v daném místě elektrizační soustavy bez spojení se zemí nebo současně se spojením se zemí. Může se jednat o náhodné nebo úmyslné spojení přes zanedbatelný odpor nebo impedanci dvou nebo více bodů obvodu, které mají při normálním provozu různá napětí. V sítích se středem spojeným přímo se zemí (TN) se zkratem rozumí také spojení jedné fáze se zemí, v sítích s izolovaným středem (IT), v kompenzovaných sítích nebo v sítích se středem spojeným přes impedanci (TT) se v tomto případě jedná o zemní spojení. Podle počtu postižených fází rozeznáváme zkraty: • trojfázový, • trojfázový úplný zkrat (spojen se zemí), • dvoufázový, • dvoufázový zemní, • jednofázový zemní. Zkraty a zemní spojení jsou způsobeny často atmosférickými vlivy (vítr, námraza, bouřka), které způsobují přetržení vodičů, vyvrácení nebo zlomení stožárů nebo porušení izolace přepětím. Mezi jiné vnější vlivy patří úmyslné poškození nebo chybná manipulace. Zkraty mohou být též způsobeny vnitřními vlivy, např. proražení izolace kabelů, izolátorů nebo izolace strojů. V místě zkratu klesne napětí teoreticky až na nulu, do místa zkratu tečou zkratové proudy ze všech zdrojů soustavy podle jejich výkonu a elektrické vzdálenosti. Místem zkratu protéká výsledný zkratový proud, který je obvykle mnohonásobkem normálního proudu. V celé soustavě se projeví pokles napětí. Zkratový proud má v závislosti na čase charakteristický průběh, který je většinou podle časové osy nesouměrný a lze jej rozložit na složku souměrnou střídavou a aperiodickou složku stejnosměrnou. Při zkratu musí být postižené zařízení automaticky vypnuto ochranou nebo ochrana musí dát popud k vypnutí vypínače před místem zkratu. Zařízení musí být dimenzována tak, aby vydrželo zkratový proud po dobu, dokud není zkrat vypnut.

Přepětí Přepětí v síti je každé napětí mezi fází a zemí nebo mezi fázemi, jehož nejvyšší hodnota přesahuje nejvyšší napětí pro zařízení. Přepětí se podle původu dělí na • vnitřní přepětí, které je vyvolané změnou provozního stavu elektrizační soustavy • vnější přepětí neboli atmosférické přepětí, způsobené atmosférickými výboji na venkovních vedeních. Vnitřní přepětí Je vyvolané změnou provozního stavu elektrizační soustavy. Vyskytuje se při poruchových stavech soustavy, při spínání a v rezonančních obvodech. V sítích s izolovaným středem (IT) nebo v kompenzované síti, případně v síti se zhášecím transformátorem dochází při poruše jedné fáze k zemnímu spojení. Přepětí vzniká při zapnutí nebo vypnutí zemního spojení a jeho amplituda může být až 3,5 násobek fázového napětí. V soustavě s uzemněným středem (TN) dochází při poruše jedné fáze ke zkratu. Při vypínání zkratu vzniká přepětí, které se skládá z přechodné složky superponované na složku s průmyslovým kmitočtem a jehož výsledkem je zotavené napětí. Proud zkratu se přeruší, když zotavené napětí soustavy roste pomaleji než zotavující se elektrická pevnost vypínané dráhy. Při vypínání kapacitních proudů (kondenzátory, dlouhá vedení naprázdno, kabelová vedení) vzniká spínací přepětí. Na nožích vypínače se objevuje dvojnásobná vrcholová hodnota napětí, kterou se může vypínací dráha prorazit. Oscilace vyvolávají přepětí, které může činit až 5-ti násobek fázového napětí. Při vypínání vedení naprázdno vznikají přepětí do 3,5 násobku fázového napětí. Při vypínání induktivních proudů může docházet k opětovným zapálením oblouku, dokud vzdálenost mezi kontakty odolá zotavenému napětí. Amplituda přepětí může dosáhnout až 2,5 násobek fázového napětí. Rezonanční přepětí se vyskytuje v rezonančních obvodech s indukčnostmi a kapacitami, případně i odpory. Rezonanční kmitočet je dán Thomsonovým vztahem (viz. ferorezonance, harmonická rezonance).

Poznámky:

Vnější přepětí Vzniká přímými údery blesku do fázových vodičů, do stožárů a do zemnících lan nebo také nepřímými údery blesku v blízkosti vedení (indukované přepětí). Při přímém úderu do fázového vodiče se od místa úderu šíří na obě strany přepěťová vlna, jejíž amplituda může značně překročit izolační hladinu vedení. Přepěťová vlna indukuje též napětí v sousedních vodičích. Při přímém úderu do stožáru vznikne přepětí úbytkem napětí na impedanci stožáru a odporu uzemnění a může dojít ke zpětnému přeskoku. Přepětí závisí také na velikosti rozpětí, vlnové impedanci vodičů a zemnicích lan. Přímý úder do zemnicích lan vyvolá šíření přepěťových vln podobně jako při úderu do fázového vodiče. Ve vodičích se též indukuje napětí. Jestliže je napětí mezi zemnicím lanem a vodičem vyšší než přeskokové napětí izolátorů, dojde ke zpětnému přeskoku. Indukované přepětí se tvoří elektrostatickou a elektromagnetickou indukcí od kanálu blesku v blízkosti vedení (elektrostatický výboj). Toto přepětí je nebezpečné pouze pro vysokonapěťová vedení. Pojistka Pojistka je přístroj určený k jednorázovému jištění elektrických zařízení před účinky nadproudů.Její základní vlastností je, že omezuje zkratový proud, tzn. že ho přeruší dříve než dosáhne své vrcholové hodnoty. V oblasti malých nadproudů nelze pojistku použít, protože z důvodu výrobních nepřesností není v této oblasti vhodným jistícím prvkem. Je vhodné ji kombinovat s jističem.

Podstata působení pojistky: Tavný vodič pojistky představuje nejslabší místo v elektrickém obvodu => vznikají v něm nejrychleji tepelné ztráty.

Poznámky:

Základní parametry pojistek: • jmenovité napětí (uvedeno patroně) • jmenovitý proud (pojistka ho musí trvale snést, aniž by oteplení přesáhlo přípustnou mez) • krajní proud • zkratový výkon – předpokládaný výkon v obvodu při zkratu • u závitových pojistek se vyjadřuje proudem v kA (25 – 40 kA) • u nožových stovky kA • u vn se vyjadřuje v MVA (součin jmenovitého napětí a předvídaného proudu), (400 – 1000 MVA) • speciální pojistky u MTN až tisíce MVA, případně se udává jako ∞. Jistič Je to samočinný vypínač, který slouží k ochraně elektrických obvodů před zkratem, nadproudem a podpětím. Hlavní části jističe • Proudovodná dráha – začíná a končí na svorkách a je tvořena spojovacími částmi, kontakty, někdy vyfukovací cívkou, nadproudovou a zkratovou spouští. • Spoušť – je součástka (malý elektromagnet, bimetal), který mechanicky zatlačí na volnoběžku a jistič vypne. • Volnoběžka – je pákový mechanismus, který udržuje stlačenou vypínací pružinu a umožní její mžikové vypnutí malou spouštěcí silou od spouště. • Nadproudová spoušť – viz dále • Elektromagnetická zkratová spoušť – je malý elektromagnet, jehož kotva v odpadlém stavu dává velkou vzduchovou mezeru a k jejímu přitažení dojde do 0,2s při zkratovém proudu (7 x In). Na menší proudy nereaguje – jsou vybaveny tepelnou spouští

Poznámky:

•

Kataraktová spoušť – je to elektromagnet, který reaguje s časovou závislostí na nadproudy a bez časové závislosti na zkraty. Jádro tvoří mosazný váleček vystupující na jedné straně cívky. V mosazném válečku je železné jádro vytlačované pružinou a olejová náplň. Při nadproudu se jádro vtahuje do cívky, klesá vzduchová mezera a po vtažení se kotva přitáhne (nadproudová ochrana). Při zkratu se kotva přitáhne při plné vzduchové mezeře. • Podpěťová spoušť – je to elektromagnet připojený na napětí, jehož kotvička odpadne, poklesne-li napětí pod 65 % Un. Tepelná spoušť Tato spoušť se používá v oblasti přetížení spotřebiče. Spoušť má možnost nastavení ±15 % jmenovité hodnoty. Jmenovitý proud jističe je dán jmenovitým proudem tepelné spouště. Tepelná spoušť tvořená nepřímo vytápěným bimetalem se při průchodu nadproudu vyhřeje, prohne a uvolní volnoběžku a jistič vypne. Nevýhody tepelné spouště z bimetalu: • Velká tepelná setrvačnost – zapneme-li jistič opětovně, hned po výpadku, pak vypne, protože pásek tlačí na zámek do doby, než se ochladí. • Malá mechanická pevnost – není dána pevností vlastního materiálu dvojkovu, ale je dána pevností galvanické ho spojení těchto dvou materiálů. Bývá okolo 30 MPa (10% pevnosti Fe) Dnes se zkouší místo dvojkovů použití kovů s tvarovou pamětí. Je to speciální slitina, která za teplot (-50 až +600°C) podle chemického složení mění v určitém rozsahu teplot svou krystalickou strukturu. Odlije se slitina (na bázi Ni, Ti) v poměru 1:1, která se následně leguje. Podle legur docílíme pracovní teploty, kterou potřebujeme. Můžeme pak vyrobit pásek, u kterého definujeme tzv. originální tvar – to je tvar, do kterého se pásek dostane v okamžiku zahřátí na pracovní teplotu. V tomto originálním tvaru se materiál zpracuje, pak se nechá schladit a nyní se mechanicky narovná. Po zahřátí se vrátí opět do originálního tvaru. Jestliže se tento cyklus několikrát zopakuje, pak se naučí ohýbat sám. Výhody: • rozsah teplot (-50 až +600°C) • mechanická pevnost 800 MPa

Poznámky:

Proudový chránič Proudové chrániče jsou moderní ochranné prvky, které zaručují vysokou citlivost ochrany před úrazem elektrickým proudem a chrání majetek před vlivem požáru od elektrické instalace. Princip proudového chrániče: Proudový chránič se skládá ze součtového transformátoru proudu, velmi citlivého vybavovacího relé a spínacího mechanismu. Proudovým transformátorem procházejí všechny pracovní vodiče, které jsou potřebné pro funkci spotřebiče. Jestliže vznikne porucha za chráničem, vznikne i rozdíl mezi porovnávanými pracovními proudy, protože část proudu uniká do země. Tento rozdíl proudů indukuje, v sekundárním obvodu transformátoru, napětí, které pomocí vybavovacího relé uvede v činnost spínací mechanismus a porucha je rychle odpojena. Vznikne-li ovšem nadproud v pracovních vodičích a ne proti zemi, proudový chránič to nevyhodnotí jako poruchu, protože součet proudů v součtovém transformátoru je roven nule. Z toho vyplývá, že proudový chránič nejistí před obvod nadproudy.

Poznámky:

Přepěťové ochrany Svodič přepětí – je elektrický přístroj chránící zařízení před přepětími. Existují tyto základní typy přepěťových ochran : • koordinační jiskřiště • svodiče přepětí pracující s obloukem (se zhášedly) • ventilová bleskojistka Koordinační jiskřiště Tvoří součást vysokonapěťových přístrojů (např. odpojovač). Chrání povrchovou cestu pevných izolantů. Tvoří jej kovové hroty umístěné proti sobě jeden na armatuře izolátoru (část pod napětím) a druhý na základním rámu (země). Jeho vlastnosti nelze citlivě měnit, představuje spíše podružnou ochranu. Její význam spočívá v tom, že průrazná dráha vzduchu se posune od povrchu izolátoru, takže se zabrání zničení izolátoru tepelným účinkem oblouku vzniklého po přeskoku. Nejčastěji je v provedení hrot - hrot. Torokova trubice (vyfukovací bleskojistka) Má dvě sériově zapojená jiskřiště. Jedno (vnější) má funkci odpojovače, druhé (vnitřní) umístěné v trubce z plynotvorného materiálu zajišťuje zhášení elektrického oblouku. Jedná se o zhášedlo s vlastní zhášecí energií využívající pevné hasivo. Značné množství plynů vzniklé rozkladem materiálu trubky tepelným účinkem oblouku, ochlazuje při výtoku dutou elektrodou oblouk a v nule proudu, po oslabení ionizačních pochodů, zabrání opětovnému zapálení oblouku. Vnější jiskřiště je tam proto, protože elektrická pevnost vnitřního povrchu je zmenšena zuhelnatěním plynotvorného materiálu účinkem oblouku. Při trvalém připojení napětí by z tohoto důvodu mohly nastávat přeskoky.

Poznámky:

Vnější povrch trubky se opatřuje vrstvou s velkým odporem, která upravuje el. pole vnitřního jiskřiště. Při normálním provozu sítě způsobuje, že dolní elektroda vnějšího jiskřiště má potenciál země. Vznikne-li přepětí, nastane proto přeskok nejdříve na vnějším jiskřišti. Nyní začne odporovou vrstvou procházet proud, postačující k vytvoření takového úbytku napětí, který potom vyvolá přeskok na vnitřním jiskřišti. Po uhasnutí oblouku mezi elektrodami vnitřního jiskřiště omezí odporová vrstva proud výboje na vnějším jiskřišti natolik, že výboj zanikne bez jakýchkoliv dalších zásahů. Nevýhoda : Jednoznačně definovaná vypínací schopnost (malý proud – oblouk nevytvoří dostatečné množství plynu, takže oblouk nemůže být uhašen; velký proud – vznikne tolik plynu, že jeho nadměrný tlak způsobí rozrušení trubky. Dnes už se nepoužívají, je to historie). Ventilová bleskojistka Principiálně se jedná o sériovou kombinaci jiskřiště a nelineárního prvku. Hodnota zápalného napětí se dá částečně řídit : • odporem • tvarem jiskřiště Jiskřiště ventilových svodičů přepětí je tvořeno soustavou dílčích jiskřišť řazených sériově. Touto úpravou se současně řeší dva požadavky. Prvním je vznik průrazu s co nejmenším zpožděním, aby vlna přepětí nepronikla příliš daleko za svodič přepětí. Druhým je vytvoření podmínek k intenzivnímu zhášení oblouku vytvořeného následným proudem, který je splněn tím, že každé jiskřiště představuje jedno zhášedlo. Tato úprava jiskřiště umožňuje vytvářet stavebnicovou konstrukci. Jedno jiskřiště a jeden rezistorový kotouč tvoří jednotku pro určité napětí. Skládáním jednotek lze vytvořit svodič přepětí pro libovolné napětí

Poznámky:

Vypínače

Poznámky:

Kontaktní ústrojí elektrických spínacích přístrojů Kontakt je ta část proudovodné dráhy, kde se mechanicky stýkají vodiče vlivem vnější přítlačné síly, a ve kterém dochází vlivem vytvoření proudových úžin ke změně proudové hustoty. Zajišťuje přechod ze zapnutého do vypnutého stavu a naopak. Kontakt má dvě základní polohy: • stav vypnuto: je charakterizován izolační vzdáleností, která je dána normou. Celkový průřez v tomto okamžiku je nulový. • stav zapnuto: je charakterizován schopností kontaktů přenášet elektrický proud a určuje tvar a základní vlastnosti kontaktu: spolehlivost, životnost; bezpečnost funkce celého přístroje. Kontaktní styk nevznikne na celé kontaktní ploše, ale právě jen v určitých místech, kde se nacházejí proudové úžiny. To je způsobené tím, že žádný povrch není dokonalý a jsou na něm nerovnosti způsobené technologií výroby, ale hlavně působením elektrického oblouku. Při určování stykového odporu musíme rozeznávat čistě kovový odpor mezi kontakty a dodatečný odpor cizích vrstev na povrchu kontaktů, které bývají chemického nebo mechanického původu. Kovové plochy, které na sebe dosednou, na sebe působí v závislosti na přítlačné síle napřed pružně a potom plasticky. a) kovový stisk pod mezí pružnosti – vratná změna A) čistý kovový styk Požadavky na kontakty: Co největší elektrická a tepelná vodivost Odolnost proti korozi Výborné mechanické vlastnosti Odolnost vůči účinkům elektrického oblouku (minimální úbytek napětí, špatná svařitelnost)

Kontaktní materiály 1) Ryzí kovy 2) Slitiny – špatná elektrická vodivost 3) Slinutiny – jsou křehké 4) Pseudoslitiny – velmi výhodné kontaktní vlastnosti (Cu+W, Ag+W, Cu+Cr, Ag+Cr) Ušlechtilé kovy: Au, Pt – nereagují s prostředím potahují se kysličníky až při vysokých teplotách (600-700°C) použití: lékařství, kosmický výzkum drahé Poloušlechtilé kovy: Stříbro –povlak je měkký a relativně nestálý, zaniká při 200°C malá tvrdost a malá odolnost proti elektrickému oblouku nejlepší elektrická vodivost (i jeho kysličníky jsou dobře vodivé) Nikl, Wolfram – používají se do slitin Wolfram je pro svou velkou tvrdost a vysokou teplotu tavení materiálem používaným na opalovací kontakty. Neušlechtilé kovy: Měď: má při čistém povrchu dobré kontaktní vlastnosti, ale snadno se pokrývá kysličníkem a pak může způsobit nadměrné oteplení. Používáme ji všude tam, kde je dostatečný tlak k rozrušení cizích vrstev, a na kontakty ponořené do oleje. Pro zlepšení vlastností se Cu a Ag legují přísadami: Stříbro-nikl: 30% Ni, dobrá odolnost proti opotřebení el. obloukem, má dobrou tepelnou a elektrickou vodivost a tvrdost. Vyrábí se práškovou metalurgií. Stříbro-uhlík: přítomnost uhlíku snižuje možnost svaření kontaktů. Používá se stříbro s 5% C. Odolnost proti opotřebení je nízké. Vyrábí se práškovou metalurgií. Stříbro-wolfram: má vysokou odolnost proti el. opotřebení, vysoký bod tavení a tvrdost, má horší el. a tep. vodivost a sklon ke korozi. Používá se na opalovací kontakty. Vyrábí se práškovou metalurgií. Na opalovací kontakty pod olejem se používá – wolfram – měď.

Poznámky:

Vypínač Je rychlý, výkonový spínací prvek se svým pohonem a je schopný vypnout zkratové proudy, anebo snést zapnutí do zkratu. Oblouk se zháší různými způsoby, nejznámější byl olej (utopení oblouku v kotli), tlakovzduch (sfouknutí oblouku), maloolej (olejové páry), SF6 (nevodivý plyn). Další poslední způsob byl zřejmě motivován úvahou " proč vymýšlet zhášení dielektrikem, nedávejme tam nic a ionty nemohou proudit" a vznikly vypínače vakuové. Odpojovač Otevřený přístroj, který je laciný, je na něj vidět a vypnutý stav se dá opticky kontrolovat. Umí sice vést velké jmenovité i zkratové proudy, ale neumí vypínat, prostě proto, že chybí deionizační zařízení. Určitá výjimka je spínání malých transformátorů vn/nn, ale jen naprázdno. U skříňových rozváděčů bývá odpojovač nahrazen výsuvným podvozkem vypínače nebo výsuvnou kazetou. Protože vypínač má přívodní a vývodové roubíky, nahrazuje výsuvná část dva odpojovače, přípojnicový i vývodový. Uzemňovač Někdy jen zemní nože u odpojovače slouží pro zajištění bezpečnosti při pracech na odpojených částech. Jsou většinou dimenzovány na zkratový proud jako příslušný odpojovač. To proto, že by někdo zapnul vypnuté vedení z druhé strany. Samozřejmě svádí i indukované napětí. Pohony odpojovačů a uzemňovačů jsou buď ruční nebo strojní. Strojní pohony používají vzduchové válce nebo elektromotory. Zatímco vzduch (stlačený ve vzdušnících) byl k dispozici i při výpadku rozvodny, u elektromotorů je zajištěna funkce při výpadku rozvodny jen napájením DC nebo AC zajištěných (rozumí se střídač). Musíme rozhodnout jaké napětí bude použito (nezajištěné AC, zajištěné AC, event.DC) a na jaké kobky (např. DC pro všechny nebo jen důležité: přívody, spínače přípojnic, transformátor vlastní spotřeby). Od tlakovzduchu se však upouští (náročná údržba, poruchové ovládací ventily a jednotky). Stykače a relé Stykače jsou dálkově ovládané spínače, které jsou drženy v zapnuté poloze silou elektromagnetu a nesmí být v této poloze aretovány, přičemž stabilní poloha je poloha vypnuto. Používají se pro časté, ale krátké spínání až 3000 sepnutí za hodinu, životnost spínače je několik miliónů sepnutí. Podle zhášení oblouku jsou : • vzduchové • SF6 (fluorid sírový) • Olejové, ve výjimečných případech Relé je přístroj, který reaguje na změnu v hlídaném elektrickém obvodu. Tuto změnu signalizuje, nebo svými kontakty zajistí vypnutí pomocí výkonového vypínače nebo stykače.

Poznámky:

Bezkontaktní spínače Spínání vychází ze základního vztahu:

σ = n⋅e⋅b σ …… proudová hustota n …… koncentrace nosičů nábojů e …… elementární náboj b …… hybnost Základní součástky pro bezkontaktní spínání • Dioda • Tyristor • Tranzistor • Triak Výhody bezkontaktního spínání • spínací proces je v pevné fázi hmoty nemá zhášedlo • není žádný mechanizmus • zapínací a vypínací časy velmi malé • nepřítomnost mechanizmů • vykazuje vyšší životnost i spolehlivost při správném dimenzování : až 1010 sepnutí (kontaktní maximálně 108) • nízká úroveň rušení • kompatibilita s logickými přístroji • velká vstupní citlivost kde :

Nevýhody bezkontaktního spínání • nedochází ke galvanickému odpojení obvodu zdroje od spotřebiče - velký úbytek napětí na přechodu v zapnutém stavu (až 100 V) • citlivost na přepětí a rychlé změny napětí v síti • citlivost na přetížení • náchylné na změny tepelného režimu • velká pořizovací cena u VN a VVN (u NN srovnatelná)

Poznámky:

Hybridní spínače Spojení kontaktního a bezkontaktního spínaní. Princip spínání

Zapínání • zasunutí pohyblivých kontaktů do polohy (1) • zapnutí tyristorů Ty • úplné zasunutí pohyblivého kontaktu – až do polohy (2) Vypínání • zapnutí tyristorů Ty • vysunutí pohyblivých kontaktů z polohy (2) do polohy (1) • vypnutí tyristorů Ty • úplné vysunutí pohyblivého kontaktu Výhody hybridního spínání • řeší některé problémy bezkontaktního spínání • galvanické oddělení obvodu zdroje od spotřebiče • není úbytek napětí na přechodu PN – vyzkratováno pohyblivým kontaktem Nevýhody hybridního spínání • pořizovací cena • velikost

Poznámky:

Elektromagnet

Poznámky:

Během zdvihu kotvy koná elektromagnet práci. Doba zdvihu je však velmi krátká, proto jej řadíme k elektrickým přístrojům. U elektromagnetů nás zajímá především průběh tahové síly. Odvození vztahu pro tahovou sílu : dWm Obecně síla ze zákona zachování energie F = , kde dδ 1 Wm = L I 2 , kde L = N λ2 2 1 2 Magnetomotorické napětí Fm = N I
Wm = λ Fm , kde magnetic2 S 1 S 2 ká vodivost pro vzduchovou mezeru λδ = µ 0
Wm = µ 0 Fm . δ 2 δ Φ BS
pak síla elektroDosadíme-li Hopkinsonův zákon Fm = =

λδ

2

λδ

 BS  BS2 
F ==  2 µ0  λδ  Tento vztah platí pouze : • Za předpokladu velmi malé reluktance feromagnetika – eliminuje se činitelem sycení ks • Za předpokladu, že v celém průřezu vzduchové mezery je magnetické pole rozloženo rovnoměrně (homogenní mag.pole) – eliminuje se činitelem vyklenutí magnetického pole ε . Předpoklad ad1) je splněn při velkých vzduchových mezerách, předpoklad ad2) je naopak splněn při malých vzduchových mezerách. Proto se v dnešní době rozvíjí výpočet numerickým modelováním (Ansys atd.).

magnetu F =

1 S µ0 2 2 δ




























Poznámky:

Tvary elektrických strojů Tvar stroje – takové uspořádání, které respektuje polohu stroje, upevnění, uspořádání ložisek, konec hřídele, způsob montáže ⇒ umístění hřídele na osu stroje

H

V

d

Označení IM Xa Xb Xc Xd ad a) 1 ….. patkové – jen s ložiskovými štíty nebo štítem 3 ….. přírubové – příruba na ložiskovém štítu ad b) 0 ….. stroj má normální patky bez převodovky 1 ….. stroj má zvýšené patky ad c) 0 ….. vodorovná hřídel 1 ….. volný konec hřídele je svisle dolů 2 ….. volný konec hřídele je svisle nahoru ad d) 0 ….. hřídel není vyvedena 1 ….. jeden válcový konec hřídele 2 ….. dva válcové konce hřídele Příklad: IM 1001 – patkový s normálními patkami s vodorovnou hřídelí jeden vyvedený válcový konec.

N

E

K L

Transformátor Transformátor je stroj bez pohyblivých části, který mění velikost napětí střídavého proudu při nezměněném kmitočtu. Transformátor se skládá z uzavřeného magnetického obvodu, složeného z křemíkových plechů a obvykle ze dvou vinutí. Vstupní vinutí P (primární) je napájeno ze zdroje střídavého proudu. Z výstupního vinutí S (sekundárního) odebíráme napětí jiné velikosti. Při chodu naprázdno je výstupní vinutí otevřeno a transformátor odebírá ze sítě proud potřebný pro vybuzení magnetického toku v magnetickém obvodu. Střídavý magnetický tok indukuje v jednom závitu každého vinutí napětí u1. Má-li výstupní vinutí N2 závitů, indukuje se v něm napětí.

Ve vstupním vinutí, které má N1 závitů indukuje tentýž střídavý tok

Napětí se transformuje v přímém poměru počtu závitů. Protéká-li při zatížení sekundárním obvodem proud I2 , pak spotřebič odebírá z transformátoru výkon

Tento výkon se musí transformátoru přivést ze zdroje při napětí U1 a proudu I1 je tedy

napětí Poměr indukovaných napětí obou vinutí (cívek) transformátoru

Zanedbáme-li ztráty v transformátoru, můžeme psát, že příkon se rovná výkonu; pak platí

je roven poměru počtu závitů a nazývá se převodem transformátoru. Zanedbáme-li poměrně malé úbytky napětí ve vstupním vinutí transformátoru, můžeme místo indukovaných napětí dosadit svorková napětí, takže velmi přibližně platí:

Poznámky:

Jestliže

se

cosϕ1

rovná

cosϕ2

,

dostaneme

a z toho pak Proudy v transformátoru jsou v nepřímém poměru k převodu. Z posledního vztahu také plyne rovnost magnetomotorických napětí

Poznámky: Jmenovitý výkon transformátoru je zdánlivý výkon v kVA nebo v MVA podle štítku, a to při jmenovitém proudu a jmenovitém napětí na straně výstupní a při jmenovitém kmitočtu a sinusovém průběhu napětí na straně vstupní. Jmenovitý proud transformátoru na straně vstupní i výstupní vypočítáme jen ze jmenovitých hodnot výkonu a napětí. Magnetický obvod se skládá z transformátorových křemíkových plechů. Aby byly ztráty vířivými proudy malé, musí být jednotlivé plechy proti sobě dobře izolovány. Izolujeme je papírem, lakem nebo fosfátováním. Používané transformátorové plechy mívají měrné ztráty Dp1,0 =1,3 až 1,1 W/kg i méně podle jakosti. Orientované plechy s keramickou izolací mají měrné ztráty Dp1,0 =0,7 až 0,35 W/kg . Magnetický obvod je tvořen jádry a spojkami. Na jádrech je navlečeno vinutí (cívky). Podle konstrukce magnetického obvodu rozeznáváme transformátory jádrové, vinutí obklopuje plechy, a plášťové, plechy obklopují vinuti. Jednofázový transformátor jádrový má dvě navinutá jádra s polovicí vinutí vyššího napětí vn a s polovicí vinuti nižšího napětí nn a dvě spojky. Jednofázový plášťový transformátor má navinuté jen prostřední jádro, na němž je cívka vyššího i nižšího napětí. Spojky mají poloviční průřez a jsou uzavřeny po obou stranách nenavinutými krajními jádry rovněž polovičního průřezu. Průřez jader bývá čtvercový, obdélníkový, křížový nebo několikrát odstupňovaný, aby se kruhový otvor cívky co nejvíce vyplnil jádrem (nejkratší obvod, úspora mědi nebo hliníku). Cívky transformátoru jsou buď válcové nebo kotoučové. U vinutí pákového jsou cívky vyššího i nižšího napětí soustředně na sobě, cívky nižšího napětí obvykle blíže k jádru. Válcové vinutí bývá nejčastěji u jádrových transformátorů. Stavíme je se svislou osou, aby kolem vinutí mohl vzduch nebo olej přirozeně proudit. U vinutí kotoučového jsou cívky vyššího a nižšího napětí střídavě na jádře. Tohoto vinutí používáme nejvíce u plášťových transformátorů a pro magnetickou souměrnost dáváme na konce jader poloviční cívky nižšího napětí. Kotoučové vinutí se staví s vodorovnou osou, aby chladicí kanály mezi cívkami byly svislé.

Stejnosměrný stroj Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstarší a konstrukčně nejsložitější užívané elektrické stroje. Jejich snadná regulovatelnost jim zajistila donedávna výsadní postavení v oblasti elektrických pohonů. Nutnost použití usměrňovačů je však o toto výsadní postavení připravila. Vlastnosti elektrických strojů Stejnosměrné stroje se vyznačují: • Snadná regulace otáček (napětím kotvy, nebo budícím proudem) • Velký kroutící moment • Snadná přizpůsobivost momentových charakteristik (zapojením budícího vinutí) • Velká přetížitelnost • Možnost užití v těžkých podmínkách • Výkony 1W - 7,5MW • Napětí 1,5 – 1200 V Konstrukce: Kostra slouží jako jho. Budící vinutí je umístěno na hlavních pólech, jejich vzdálenost definuje pólovou rozteč, budící vinutí může být nahrazeno permanentními magnety. Mezi hlavními póly jsou umístěny pomocné póly pro zlepšení komutace (nemusejí být vždy). Počet pólů je vždy sudý. V hlavních pólech je uloženo kompenzační vinutí pro kompenzaci reakce kotvy. Rotor ss. stroje je složen z plechů, komutátoru a vinutí. Rotorové vinutí může obsahovat vyrovnávací spojky prvního a druhého řádu. Sběrné ústrojí je tvořeno kartáči (počet řad kartáčů odpovídá počtu pólů), držáky kartáčů, roubíkem a brejlemi. Kluzný kontakt tvoří kartáč klouzající po komutátoru. Princip činnosti: Motor funguje na základě působení elektrodynamických účinků mezi proudem ve vodičích kotvy a magnetickým polem hlavních pólů.

Poznámky:

Poznámky: Konce cívek jsou připojeny ke komutátoru, k němuž jsou přiloženy kartáče. Otáčíme-li cívkou bude se indukovat napětí. Pod S pólem Ua, pod J pólem Ub. Komutátor působí v podstatě jako mechanický usměrňovač, musí mít minimálně 3 lamely, pro vyhlazení proudu se používá větší počet lamel (až 900).

Asynchronní stroj

Poznámky:

Asynchronní stroj je nejrozšířenějším elektrickým strojem především proto, že je nejjednodušší a jeho výroba je nejlevnější. Asynchronní stroj je používán nejčastěji jako motor k pohonu nejrůznějších zařízení, zejména takových, která pracují při stálé rychlosti, neboť rychlost samostatného asynchronního motoru je obtížně regulovatelná. S nástupem frekvenčních měničů je dnes tato nevýhoda potlačena neboť díky frekvenčním měničům můžeme rychlost plynule řídit. Vlastnosti asynchronních strojů Nevýhody: • Proudový náraz při zapnutí pohonu na síť • Indukční účiník 0,8-0,9 při jmenovitém zatížení • Bez frekvenčního měniče obtížná regulace otáček •

Maximální otáčky dány frekvencí sítě n =

Výhody • jsou napájeny z běžné třífázové sítě

f ⋅ 60 [min-1] p

Poznámky: Princip působení stroje Je založen na vzájemném elektromagnetickém působení točivého magnetického pole statoru a rotorového proudu indukovaného tímto polem. Točivé magnetické pole se otáčí synchronní rychlostí, a to podle zvoleného sledu fází, buď vlevo nebo vpravo. Za kladný smysl otáčení se volí levotočivý. Relativní rychlost otáčení nebo tzv. skluzová rychlost je dána rozdílem rychlosti synchronní a rychlosti motoru. Nejčastěji se udává poměrná skluzová rychlost vztažená na synchronní rychlost, kterou nazýváme skluzem.

s= Ω n

Ω s − Ω ns − n = [ - ] nominální skluz je 5-7% ns Ωs - mechanická úhlová rychlost - rychlost otáčení

Asynchronní stroj jako motor, generátor nebo brzda Skluz - je veličina, která svojí velikostí a znaménkem udává velikost a druh zatížení indukčního stroje. Asynchronní stroj jako motor Uvažujeme nejdříve, že rotor se otáčí stejně rychle jako magnetické pole ve vzduchové mezeře. Pak jeho otáčky jsou rovny otáčkám pole n = n1 a skluz s = 0 . V rotoru se neindukuje žádné napětí, neboť frekvence f2 = 0 a stroj nevyvíjí žádný moment. Tento stav představuje ideální chod naprázdno. Ve skutečnosti je motor vždy zatížen na hřídeli momentem mechanických ztrát, takže rotor nedosáhne nikdy synchronní rychlosti. V druhém případě uvažujeme, že rotor se neotáčí, tedy n = 0 a s = 1. Tehdy pracuje indukční stroj jako transformátor a protože je rotor spojen dokrátka, tedy jako transformátor nakrátko. Tomuto stavu říkáme stav nakrátko. Mezi těmito dvěma stavy pracuje stroj jako motor.Jeho rychlost je 0 ≤ n ≤ n1 a skluz je 1 ≥ s ≥ 0. Skluz je kladný, rychlost otáčení rotoru má stejný smysl jako točivé magnetické pole. Asynchronní stroj jako generátor Poháníme-li rotor asynchronního stroje tak, že jeho rychlost se zvýší nad rychlost synchronní n > n1, což znamená, že skluz se stane záporným s < 0 , změní indukované napětí v rotoru smysl a elektrická energie je dodávána do sítě. Stroj pracuje tedy jako generátor při záporném skluzu -∞ < s < 0 Připojení na síť je jednoduché a nevyžaduje žádné zvláštní synchronizační zařízení. Generátor musí pracovat paralelně se zdrojem jalového výkonu, který je zapotřebí pro vybuzení magnetického pole.

Asynchronní stroj jako brzda Je-li rotor poháněn tak, že se otáčí v opačném smyslu než magnetické točivé pole (n< 0 ), rychlost n2 > n1 což znamená, že , skluz je kladný a větší než 1 1 ≤ s < +∞ Takové brzdění nastane při spouštění břemene a při reverzaci. Při brzdění protiproudem jsou ztráty v rotoru 3-krát větší než při rozběhu a jejich hodnota nezávisí na velikosti odporu rotoru. Reverzace za chodu motoru až 4krát větší ztráty než při rozběhu Spouštění asynchronních motorů Spouštění je přechodný děj. Otáčky potřebujeme dostat na požadované provozní. Motor by měl mít plynulý rozběh. Při spouštění musíme respektovat: • počet spouštění • poměr záběrného proudu / nominálnímu proudu • plynulost časové změny otáček • plynulost proudu • poměr záběrného momentu / nominálnímu momentu

J(n − n 0 ) [s] 9.55(M m − M p )

•

dobu rozběhu t a =

•

ztráty při rozběhu ∆P

Spouštění asynchronního motoru s vinutým rotorem (kotvou kroužkovou) Tyto motory spouštíme tak, že k vinutí rotoru připojíme spouštěč, jehož odpor můžeme (obvykle po stupních) měnit. Vhodně odstupňovanými odpory lze nastavit libovolnou velikost záběrného proudu a až maximální moment. Vyřazování jednotlivých odporových stupňů provedeme tehdy, jestliže se otáčky motoru nezvětšují. Po skončení rozběhu je třeba celý spouštěč vyřadit, neboť není konstruován na trvalé zatížení.

Poznámky:

Spouštění asynchronních motorů s kotvou nakrátko Důležitými parametry z hlediska spouštění jsou záběrný proud a záběrný moment. Při spouštění se snažíme, aby záběrný proud byl co nejmenší a záběrný moment co největší. •

•

přímé připojení motoru k síti: Je to nejjednodušší způsob. Motor v okamžiku připojení odebírá značný proud nakrátko (záběrný proud), což může způsobit pokles napětí sítě nebo vypnutí ochran => přímo k síti se mohou připojovat motory jen do 3kW, jejichž spouštěcí příkon je menší než 21kVA. Po dohodě s energetickými závody lze připojit přímo k síti i motory větších výkonů. spouštění přepínačem Y/D: Tento způsob používáme tam, kde nelze použít předcházející způsob. Podmínkou je, aby byl motor navržen pro trvalé spojení do trojúhelníku. Při spouštění je vinutí motoru spojeno do hvězdy. Fázové napětí je

Uf =

Us 3

,

takže 2

moment

U U  M Y = k  s  = k s 3  3

motoru

je

2

to znamená, že má pouze 1/3 hod-

noty při původním zapojení do trojúhelníku. Záběrný proud

US

při spojení do hvězdy je I fY = I SY = při spojení do trojúhelníku je I fD = měr proudů je

I fY = I SD

3 ⋅ Zf

. Záběrný proud

US , I SD = 3 ⋅ I fD PoZf

US ⋅ Zf 3 ⋅ 3 ⋅ Zf ⋅ US

=

I 1 neboli I Y = D 3 3

Záběrný proud je v tomto případě 3krát menší, stejně jako záběrový moment. Proto je tímto způsobem možné spouštět jen motory, které se rozbíhají bez zatížení. K vlastnímu přepnutí s Y do D může dojít až při ustálení otáček.

Poznámky:

Řízení otáček asynchronního motoru • regulace otáček odporem v rotoru R2 (skluzem): musíme mít kroužkový motor, ns-20%, nelze odporem v rotoru regulovat otáčky naprázdno. Zařazováním odporů v rotoru měníme otáčky. Rotorové odporníky musí být dimenzovány na trvalý chod. Čím je větší protinapětí, tím je větší skluz v motoru.

sU s U − U2 U I 2 = 2 = 1 20 = 2 10 Z2 Z2 Z2 •

regulace otáček statorovým napětím: nemůžeme vracet energii do sítě jako v předchozím případě.

Pel = s ⋅ Pυ = s ⋅ •

•

≠

ω1 ω M = 1 (M ⋅ s) = k ⋅ M ⋅ s p p

regulace otáček s přepínáním počtu pólů: buď přepínáme v poměru 1:2…2p = 2/4, 2p = 4/8 (musíme použít jedno vinutí), nebo v libovolném poměru 2p = 18/24 (musíme použít více vinutí). Jestliže máme vinutý rotor, musíme přepínat i rotor. regulace otáček frekvencí: přímé – použitím frekvenčního měniče (cyklokonvertoru). Frekvence s 50Hz maximálně, 25 či 20Hz pro velké výkony.

Brzdění trojfázového asynchronního motoru • podsynchronní brzdění: rotor motoru se otáčí proti směru otáčení točivého magnetického pole, takže pro skluz platí

s=

•

n s − (−n ) n s + n = > 1 . Motor je tepelně a dynamicky ns ns

značně namáhán. Nevýhodou také je, že brzdný moment Mb je pro s > 1 menší než moment záběrný Mz. Tento způsob se také nazývá protiproudem a používá se pro rychlé zastavení stroje. Brzdí se tak, že zaměníme dva přívody k motoru, a tím se změní směr otáčení magn. pole. Zpětnému roztočení zabrání tzv. spínač Alnico, namontovaný na hřídeli. nadsynchronní brzdění: rotor se otáčí ve směru otáčení magn. pole, takže platí n > ns a skluz je s =

•

ns − n < 0 . Stroj se dons

stává do generátorického stavu. Ve vodičích rotoru se indukují proudy, které vyvolávají opačný silový (momentový) účinek. V tomto případě stroj energii rekuperuje do sítě. Velkou nevýhodou je potřeba velkých otáček při brzdění (větších, než jsou dovolené otáčky v motorickém chodu). zvláštní způsoby brzdění: stejnosměrným proudem, kdy napájíme jednu fázi nebo dvě fáze statoru. Vzniklé magn. pole svými účinky plynule brzdí motor. Při malých otáčkách se však stroj musí brzdit mechanickou brzdou, neboť brzdný moment je malý

Poznámky:¨

Synchronní stroj Alternátory Jsou největší točivé stroje (až několik set MVA) Napětí nejčastěji ~25 kV, ale může být až 400 kV Otáčky závisí na počtu pólů (2p) Vyznačují se: • vysokým využitím aktivních materiálů • účinným chlazením • vysokou účinností • malými investičními náklady na 1 MVA Alternátory jsou poháněny: • parní turbínou • vodní turbínou Kompenzátory Pracují jen jako zdroje nebo spotřebiče jalové energie, kompenzují jalové zatížení sítě a tím udržují napětí v potřebných mezích Motory Pro větší a velké výkony • výhody: dobrý účiník (přebuzený stav → kompenzace účiníku sítě • nevýhody: obtížné spouštění, obtížná regulace rychlosti, potřeba budiče Konstrukce: V drážkách statoru je stř. vinutí, nejčastěji 3-fázové. Tomuto vinutí se též říká vinutí kotvy. Protože výkony jsou velké, volí se pro vinutí kotvy vysoké napětí, proto se umisťuje na statoru, aby mohl mít pevné vývody. Vinutí spojeno do hvězdy buď s: a) vyvedeným uzlem b) nevyvedeným uzlem Střídavé vinutí je stejné jako u indukčních strojů (asynchronní), avšak používá se velmi často lomený počet drážek pro pól a fázi → zlepšení průběhu indukovaného napětí Na rotoru je budící vinutí napájené stejnosměrným proudem přes dva sběrací kroužky ze: • stejnosměrné sítě • vlastního dynama (budiče) • nebo napájené bezkontaktně. Budící výkon je ve srovnání s výkonem synchr. stroje malý

Poznámky:

Podle provedení rotoru se rozlišují: • s hladkým rotorem (turbostroje, délka až 12 m, • s vyniklými póly Stroje s hladkým rotorem mají budící vinutí rozloženo v drážkách vyfrézovaných ve válcovém tělese rotoru, které je vykováno z legované oceli. Stroje s vyniklými póly mají na magnetovém kole póly s pólovými nástavci. Póly s pólovými nástavci a magnetové kolo jsou z oceli. Provozní stavy : u i

−ϕ












motor +j přebuzený

jalový induktivní proud dodávaný do sítě

-j




motor podbuzený

+j










i jalový induktivní proud odebíraný ze sítě

u

u 

−ϕ i

u ϕ









generátor přebuzený

-j

generátor podbuzený












ϕ i

Přebuzený alternátor: Dodává do sítě činný i jalový induktivní proud. Při zatížení je magnetové kolo v předstihu o úhel β proti své poloze při chodu naprázdno. Přebuzený synchronní motor: Odebírá ze sítě činný proud, dodává do sítě jalový induktivní proud. Magnetové kolo je při zatížení natočeno o úhel β zpět proti své poloze při chodu naprázdno. Podbuzený synchronní motor: Odebírá činný proud i jalový proud induktivní. Magnetové kolo je o úhel β zpožděno proti své poloze při chodu naprázdno. Podbuzený alternátor: Dodává činný proud, odebírá ze sítě jalový induktivní proud. Magnetové kolo předbíhá svou polohu naprázdno o úhel β.

Poznámky:










































Poznámky: Elektrická energie musí být vyráběna a to z těchto zdrojů: • Fosilní paliva (uhlí, plyn, ropa) • Vodní zdroje • Alternativní zdroje (vítr, slunce, geotermální činnost, bioplyn) • Jaderné zdroje (štěpení, fúze) Podíl zdrojů na výrobě Zdroj energie

Podíl výrobě

na

Negativní důsledky na životní prostředí

Fosilní paliva

80 %

Skleníkový jev, CO2, turbulence v atmosféře

Hydroelektrárny

7%

Ekologické dopady na krajinu

Alternativní zdroje

1%

Ekonomická náročnost na výrobu 1kWh energie

Jaderná energetika

12 %

Štěpné.r: nadkritické množství, odpad,omez.zás.

Odhadované světové zásoby Energie[GJ]

Odhadované zásoby (při současné spotřebě)

3*1011

1 rok

Uhlí

1*1014

300 let

Olej

1.2*1013

40 let

Zemní plyn

1.4*1013

50 let

Uran 235 (štěpné reaktory)

1013

30 let

Uran 238 a Thorium 232 (množivé reaktory)

1016

30 000 let

Lithium(D+T*) fúzní reaktory) -země -oceány

1016 1019

30 000 let 30*106 let

Současná celková roční spotřeba primární energie, Zásoby:

Tepelné elektrárny

Poznámky:

Princip: Elektrárna využívající k přeměně tepla uvolněného spalováním uhlí v elektrickou energii. Nejrozšířenějším současným typem jsou elektrárny spalující práškové uhlí v granulačním ohništi. Hlavním problémem zůstává negativní vliv na životní prostředí (exhalace popílku, oxidů síry a dusíku).

Tepelný oběh přeměny tepla v mechanickou energii, s nímž pracují parní elektrárny. Sestává z izobarického ohřevu vody na teplotu varu, vypařování vody, ohřevu páry na pracovní teplotu a expanze páry v turbíně. Oběh je uzavřen kondenzací páry na vodu. Parní oběh bloku elektrárny 200 MW Pracovní tlak

16,5 MPa

Teplota sytosti (varu)

350 °C

Teplota páry na vstupu do turbíny

565 °C

Voda za kondenzátorem - tlak

4 kPa, teplota: 29 °C

Termická účinnost cyklu

38%

V turbíně se uskutečňuje přeměna tepelné (vnitřní) a (nebo) kinetické energie pracovní látky (páry, plynu, vzduchu, vody) na energii mechanickou (rotace hřídele). Turbína je roztáčena pracovní látkou proudící přes lopatky turbíny. Mechanická energie se může využívat přímo na pohon jiného stroje. Pokud má turbína sloužit k výrobě elektrické energie, potom se nachází na společné hřídeli s elektrickým generátorem - dohromady tvoří tzv. turbogenerátor.

Rozdělení turbín: • podle pracovní látky: vodní, parní, plynové • podle směru průtoku oběžným kolem: radiální, axiální, diagonální • podle způsobu zpracování energetického spádu: přetlaková, rovnotlaká • podle dělení energetického spádu: jednostupňová, vícestupňová. Odlučovač popílku V granulačním ohništi je teplota spalovacího procesu volena tak, že částečky shořelého paliva (popílek) se v proudu spalin sice natavují, ale rychle chladnou a granulují. Shromažďují se částečně ve výsypkách jednotlivých tahů kotle a v odlučovači popílku. Část jemného popílku však uniká se spalinami do ovzduší a tvoří škodlivé exhalace. V moderních kotlích na mleté uhlí vzniká jemný popílek, unášený spalinami. Nemá-li se dostat komínem do ovzduší, je třeba spaliny vyčistit a popílek odloučit. V současné době se užívají především elektrostatické filtry, zachycující přes 99 % popílku. Mechanické odlučovače jsou účinné především k odlučování hrubších částic. Pro menší objemy spalin se mohou použít tkaninové filtry.

Poznámky:

Mokrá vápencová nebo vápenná vypírka Je mokrý proces odstraňování sloučenin síry ze spalin. Spaliny jsou vedeny do tzv. “pračky”, do níž se vhání mlha z vápencového mléka (namočený semletý vápenec). Síra se váže na vápník a vzniká energosádrovec. Odsiřovací zařízení 4 bloků o výkonu 110 MW elektrárny Prunéřov I:

Koncentrace SO2 ve spalinách: před odsířením - 7 600 mg/m3; po odsíření - pod 400 mg/m3 Roční produkce energosádrovce: 200 000 t.

Poznámky:

Jaderná elektrárna Je elektrárna, ve které jsou zdrojem tepla jaderné reakce probíhající v reaktoru. Jaderná elektrárna bývá často označována podle typu reaktoru (např. výraz “jaderná elektrárna VVER“ znamená, že v jaderné elektrárně jsou umístěny reaktory typu VVER). Jaderná reakce je proces, kdy při vzájemné interakci dvou jaderných částic vznikají jiné částice. Z praktického hlediska je nejdůležitější reakce, kdy na terčíkové jádro X nalétává částice a (například neutron) a vzniká nové jádro Y a částice b. Schematicky se jaderná reakce zapisuje ve tvaru a + X → Y + b nebo X(a, b)Y. Symbol (a, b) charakterizuje reakci, například radiační záchyt (n,γ). Při jaderné reakci se zachovává elektrický náboj, počet nukleonů a platí zákon zachování energie. Za jaderné označujeme palivo, ve kterém se jadernými reakcemi přeměňuje část jaderné energie na teplo. V současné době je v energetice využíván typ jaderné reakce - štěpení jader těžkých prvků (např. uranu). V budoucnu se zdá být perspektivní energetické využití termojaderné reakce (syntéza lehkých jader). Podle stupně obohacení izotopem U-235 rozdělujeme uran na: přírodní: 0,71 %, slabě obohacený: 1-5 %, středně obohacený: 5-20 %, silně obohacený: 20 a více %. Energetický výtěžek je následující : přírodní uran: 0,69 TJ/kg, slabě obohacený: 3-8,5 TJ/kg, palivo množivých reaktorů: až 52 TJ/kg. Složení reaktoru: Pohon svazkové řídící tyče Víko tlakové nádoby reaktoru Vývody vnitroreaktorového měření Ochranná trubka svazkové tyče Palivové kazety Plášť aktivní zóny Tlaková nádoba reaktoru

Poznámky:

Moderátor je materiál účinně zpomalující neutrony. Nejlépe zpomalují neutrony prvky, jejichž hmotnost jádra je srovnatelná s hmotností neutronu - tedy lehká jádra. Výborným moderátorem je vodík, a tedy i voda, protože v jedné molekule vody jsou obsaženy 2 atomy vodíku a 1 atom kyslíku. Výborným moderátorem je rovněž těžká voda, grafit a berylium. Jiné lehké prvky se nepoužívají, protože neutrony nejen zpomalují, ale i pohlcují. Reaktor VVER

Primární (první) okruh slouží k přenosu tepelné energie z aktivní zóny do parogenerátoru. V parním generátoru se předává teplo sekundárnímu (druhému) okruhu. Jedná se o uzavřený systém, který brání úniku radioaktivity vně tohoto systému. Primární okruh tvoří reaktor, potrubní systémy k cirkulaci vody, parogenerátor, kompenzátor objemu a cirkulační čerpadla. Sekundární (druhý) okruh slouží k transportu páry a k přeměně její vnitřní energie na točivý pohyb turbíny. Základní části sekundárního okruhu tvoří: sekundární část parogenerátoru, potrubní systémy sekundárního okruhu, turbogenerátor, kondenzátor a čerpadla. Jde, stejně jako u primárního okruhu, o uzavřený systém bránící případnému úniku radioaktivity.

Poznámky:

Vodní elektrárny Podle výše spádu se dělí na: • nízkotlaké - do výše spádu 25 m bez přívodního potrubí • středotlaké - výše spádu 25 až 100 m s přívodním potrubím • vysokotlaké - výše spádu nad 100 m.

Vodní turbína je lopatkový vodní motor měnící vodní energii na mechanickou práci na hřídeli. Vodní turbína se skládá z rozváděcího ústrojí (rozváděcího kola, dýzy) usměrňujícího průtok vody a z oběžného kola, které vodě odebírá energii. U přetlakových vodních turbín je navíc sací potrubí, které vodu ze stroje odvádí . Maximální zaručený průtok vody vodní turbínou při určitém spádu se nazývá hltnost.

Rozdělení turbín: • Podle přeměny energie: rovnotlaková (Bánkiho, Peltonova turbína); přetlaková (Francisova, Kaplanova turbína) • Podle průtoku vody oběžným kolem: axiální; tangenciální • Podle polohy hřídele: horizontální; vertikální; šikmé.

Poznámky:

Kaplanova turbína Přetlaková turbína (tlak před oběžným kolem je větší než za oběžným kolem). V základním provedení je výborně regulovatelná natáčením lopatek. Přestože je výrobně náročná, patří u nás mezi nejrozšířenější turbíny. Používá se pro velké průtoky a malé spády, max. asi do 70 m. Francisova turbína Přetlaková vodní turbína (tlak před oběžným kolem je vyšší než za oběžným kolem). Reguluje se natáčením lopatek rozváděcího kola, lopatky oběžného kola jsou pevné. Je vhodná pro malé, střední i vysoké spády a patří mezi nejrozšířenější turbíny.

Spád:

30 až 400 m, malé turbíny: od 10 m

Rozsah výkonu:

desítky až stovky MW

Účinnost velkých strojů:

přes 90 %

Výrobce:

ČKD Blansko, Turbo Technics

Peltonova turbína Tlak vody před oběžným kolem rovnotlaké turbíny je stejný jako za oběžným kolem. Oběžné kolo takové turbíny musí být umístěno nad spodní hladinou, aby nebrodilo. Tím vzniká určitá ztráta spádu, která je však pro turbíny pracující s vysokým spádem zanedbatelná. Typickou rovnotlakou turbínou je Peltonova turbína. Hranice pro použití velkých rovnotlakých turbín: nad 400 m. Rovnotlaková vodní turbína s tečným ostřikem oběžného kola pro velké spády. Rozvaděčem je dýza na přívodním potrubí, z níž voda vystupuje kruhovitým paprskem a dopadá na miskovité lopatky oběžného kola. Podle průtoku jsou Peltonovy turbíny s jednou, dvěma a třemi dýzami (vodorovné) nebo až se šesti dýzami (svislé).

Poznámky:

Poznámky:

Průtoková vodní elektrárna Pracuje bez akumulace a využívá množství vody protékající řečištěm až do úplné hltnosti vodních turbín, na něž je elektrárna dimenzována. Zbytek průtoku nad využitelnou mez přepadá jalově přes jez. Průtočné vodní elektrárny pracují v základní části denního elektrického zatížení. U derivační vodní elektrárny je hydroenergetický spád vytvořený převážně derivačním kanálem. Nejnižší hodnoty spádu v derivačních elektrárnách bývají okolo 10 m, nejvyšší 200 m a víc. Přečerpávací vodní elektrárny Přečerpávací vodní elektrárny využívají přebytku elektrické energie v době nízké spotřeby (v noci) k načerpání vody do umělé akumulační nádrže. Ve špičce pak tato voda slouží k produkci elektřiny. Reverzní soustrojí pracuje v jednom směru jako turbogenerátor a produkuje elektřinu, v druhém směru pracuje jako motor - čerpadlo.

Fotavoltaické články

Fotovoltaické články slouží k přímé přeměně energie světelného záření. V principu jde o tenké destičky z monokrystalických, polykrystalických či amorfních polovodičů, nejčastěji s přechodem PN. Fotony slunečního záření jsou absorbovány ve vrstvě polovodiče, kde vytvářejí páry elektron-díra. Vnitřní elektrické pole náboje (viz heslo elektrický náboj) opačných znamének rozdělí a vyvolá stejnosměrný elektrický proud. Sluneční kolektor zachycuje sluneční záření a předává absorbované teplo látce cirkulující v uzavřeném okruhu. Typickým slunečním kolektorem používaným v našich zeměpisných šířkách je černá kovová nebo plastová deska, pohlcující sluneční záření (absorbér). Teplo se odvádí soustavou trubek s teplonosnou látkou. Větrná elektrárna Větrná energie představuje energii proudění vzduchu vůči zemskému povrchu - větru, který vzniká díky teplotním rozdílům různých oblastí atmosféry. Větrné elektrárny využívají tento druh energie k její přeměně na elektrickou energii.

Poznámky:

Poznámky:

Osvětlení Umělé osvětlení se nepodílí na celkové spotřebě energie tak výrazně jako vytápění a příprava teplé užitkové vody, představuje zhruba 1 % z celkové spotřeby energie. Přesto je vhodné věnovat energeticky úspornému osvětlení pozornost, protože z celkové spotřeby elektrické energie připadá na osvětlení asi 8 až 10 %. Při realizaci umělého osvětlení je nutné dodržovat předepsané hygienické a bezpečnostní požadavky. Při volbě osvětlení musí být zohledněn účel, ke kterému bude osvětlení používáno, podmínky v jakých bude osvětlení instalováno, atd. Pro návrh osvětlení platí tato obecná kriteria: • dostatečná úroveň osvětlení, • přiměřené rozložení jasů ploch v zorném poli, • výhodný převažující směr osvětlení a stínivost, • omezení oslnění, • vhodné spektrální složení světla a přiměřené podání barev. Druh práce, místnost Osvětlení [lx] Pro všeobecnou orientaci (chodby, schody, WC, před20 až 40 síň, kotelna atd.) Pro hrubou práci (sklady, nakládání, doprava, expe40 až 100 dice, umývárny, kuchyně, atd.) Pro střední práci (čtení a psaní, zámečnické práce, 100 až 300 obráběcí stroje atd.) Pro jemnou práci (šití, jemná mechanika, výroba 200 až 700 přístrojů, rýsování atd.)

Faktory, ovlivňující hospodárnost umělého osvětlení • světelné zdroje a jejich vlastnosti (měrný výkon, životnost, atd.), • vlastnosti příslušenství, • volba svítidla a jejich vlastnosti, např. účinnost, • způsob osvětlení (přímé, nepřímé, smíšené, atd.), • vlastnosti osvětlovací soustavy, • způsob ovládání jednotlivých svítidel a jejich skupin, • způsob regulace osvětlení, • údržba osvětlovací soustavy a ostatních prvků.

Poznámky: Třídění svítidel podle rozdělení světelného toku

Třída toku

rozložení

svět. Svítidlo

Rozdělení světelného toku v % toku svítidla do dolního poloprosto- do horního poloprostoru ru

I

přímé

nad 80

do 20

II

převážně přímé

60 až 80

40 až 20

III

smíšené

40 až 60

60 až 40

IV

převážně nepří- 20 až 40 mé

80 až 60

V

nepřímé

nad 80

do 20

Osvětlovací soustavy Je to soubor svítidel se světelnými zdroji, příslušenstvím, elektrickým rozvodem a ovládacími prvky. Jejím úkolem je zajištění vyhovujícího osvětlení prostorů tak, aby plně odpovídalo funkci těchto prostorů. Volba vhodné osvětlovací soustavy má vliv na zrakovou pohodu a z toho vyplývající zrakový výkon. Výrazně ovlivňuje energetické a ekonomické faktory. e vnitřních prostorách, které jsou funkčně diferencované s různými nároky na osvětlení, je vhodné instalovat osvětlení odstupňované nebo kombinované. Tím se docílí nejen lepší kvalita světelné pohody a osvětlení, ale i úspory energie. Energetická účinnost osvětlovací soustavy Zjednodušeně ji můžeme charakterizovat jako poměrný elektrický příkon na jednotku plochy osvětlovaného prostoru, který je potřeba pro dosažení měrné osvětlenosti 100 luxů. P = (P × 100)/A × Epk P – celkový elektrický příkon [W] A – plocha posuzovaného prostoru [m2] Epk - je místně průměrná a časově minimální osvětlenost [lx]





















Poznámky: Je proces, kdy technická zařízení využíváme k nahrazení nejen fyzické, ale i duševní řídící činnosti lidí. Důvody automatizace Vynucená automatizace Potřebujeme vyřadit člověka z procesu, protože: • jeho přítomnost pro něho představuje smrtelné nebezpečí (manipulace s radioaktivními látkami, odstraňování min atd.), • jeho činnost je příčinou chyb jejichž následky jsou značně nepříznivé a vedou k velkým ekonomickým ztrátám i k ztrátám na životech (navigace letadel a lodí, zabezpečovací fce), • jeho přímá účast mu způsobuje fyzickou únavu nebo nepříjemný pocit (vlhko, teplo, vibrace, hluk, prach atd.), • není schopen vykonávat potřebnou činnost z hlediska rychlosti, přesnosti, rozsahu (řízení štěpné reakce, řízení raket atd.), • automatické řízení vykoná úkony z vyšší jakostí než člověk (nanášení barvy na auto), • člověk nemůže být přítomen potřebné činnosti (kosmické sondy, snímací hlava CD, stimulátor srdce), • si nemůžeme dovolit vynaložit tolik lidské práce (spojování hovorů, počítání osob – turnikety, nápojové automaty). Ekonomické důvody • Snížení výrobních nákladů – (přímé) náklady vypočítají se přesně na výrobek. • Snížení režijních nákladů, (zahrnují režijní položky - mzdy, energii, spotřeba vody, apod.) musí se vypočítat nepřímo rozpočítáním z celku. • Zvýšení produktivity práce a objemu výroby. • Zkrácení vývoje, výroby a sledování výrobku během užívání, z toho vyplývá konkurenční výhoda. • Možnost individuální výroby. • Automatické zařízení použité ve výrobku mu dodává užitečné funkční vlastnosti – výhoda pro zákazníky. • Nadstandartní jakost. Jiné důvody : • Prestiž firmy. • Větší pohodlí. • Větší informovanost.

Očekávání od automatizace Výchozí situace: nedostatek know-how a konjunktura. Stejně, jako je tomu i v jiných „nových“ oborech lidské činnosti, existovala v souvislosti se zaváděním automatizovaných systémů řada očekávání. Použijeme-li opět jistého zjednodušení, dá se říci, že tato očekávání plynula do značné míry z nedostatečného automatizačního know-how všech zúčastněných subjektů a z počáteční konjunktury tohoto mimořádně dynamického technického oboru, ke které u nás, v porovnání s vyspělejšími zeměmi, došlo navíc se značným zpožděním.

Automatizační prostředky Rozdělení prostředků Podle vztahu k informaci: Prostředky na získávání, transformaci, přenos, zpracování, uchování a využití informace. • Prostředky na získávání informací jsou čidla a senzory. Jejich smysl spočívá v tom, že nám převedou určitý fyzikální nebo chemický stav na veličinu snadno pozorovatelnou, přenositelnou a zpracovatelnou. Prostředky pro transformaci jsou zde zařazeny také, neboť většinou tvoří konstrukční součást zařízení na získávání informace. • Prostředky pro přenos informace souvisí s druhem energie, který je pro přenos informace použito i se způsobem modulace signálu.

Snímače polohy Odporové snímače Jsou jednou z nejprimitivnějších a patrně nejrozšířenějších zařízení ke snímání polohy. Snímače spojité – jsou ty, které poskytují informaci o poloze měřeného předmětu nepřerušovaně. Snímače nespojité – jsou ty, u nichž zaznamenáváme polohu pouze po krocích, typickým příkladem budiž poloha výtahové kabiny. Mezi spojité snímače patří především potenciometry. Měřený předmět je mechanicky spojen s jezdcem potenciometru. Při pohybu předmětu se mění odpor na výstupu a dle jeho hodnoty můžeme okamžitě zjistit pozici předmětu. Rozeznáváme několik charakteristik potenciometru: 1. dráha – může být lineární či profilová 2. materiál odporové dráhy (vrstvové, drátové, uhlíkové atd.)

Poznámky:

Poznámky: Nespojité snímače se dělí na magnetické a mechanické. Mezi mechanické patří například rtuťový spínač (lidově řečeno „prasátko“) – obrázek 2A. Jedná se o skleněnou nádržku s třemi vyvedenými elektrodami. Nádržka je připevněna na kloubu. Měřený předmět svým pohybem spínač pootočí nahoru či dolu, podle toho se také přelije vodivá rtuť, tedy spojí buď levou-střední nebo střední-pravou elektrodu. Výhodou rtuťového spínače je to, že při spínání nevzniká elektrický oblouk. Jako zástupce magnetických odporových nespojitých snímačů jmenujme např. jazýčkové relé (obrázek 2B). Jedná se o podlouhlou skleněnou nádobku naplněnou inertním plynem a obsahující 2 pásky s magneticky měkkého materiálu, které se nedotýkají. Indukčnostní snímače Základní myšlenkou je využití vztahů platících v magnetickém obvodu(obrázek 3A). Tedy změna polohy měřeného předmětu se projeví na změně vlastní či vzájemné indukčnosti. Vytvoříme-li jednoduchý magnetický obvod, jehož jedna část bude spojena s měřeným předmětem, pohybem této části se bude měnit vlastní indukčnost cívky vyvolávající tok. Při měření vhodných vzdáleností se uchová víceméně lineární průběh výsledné charakteristiky. Indukční snímače Jsou zvláštním případem snímačů polohy, protože nevyžadují přísun elektrické energie, ale při vlastním měření polohy se energie generuje. Princip vychází z Faradayova zákona, který hovoří o tom, že na svorkách cívky v jejímž poli se pohybuje těleso z feromagnetického materiálu vzniká energie. Měřený předmět musí být tedy spojen s permanentním magnetem. Při průchodu magnetu polem cívky je tak generovám poulz, který je dále použit. Nevýhodou je skutečnost, že pulz nastane pouze tehdy, má-li magnet dostatečnou rychlost (zákon hovoří o velikosti změny polohy za jednotku času). Čím je rychlost vyšší, tím je vyšší velikost generovaného napětí.

Kapacitní snímače Mají tu vlastnost, že dokáží měřit polohu velice přesně, avšak pouze na malou vzdálenost. Měřený předmět je spojen s jednou elektrodou kondenzátoru, druhá elektroda je pevná (obrázek 3B). Dielektrikem je v našem případě vzduch (dá se samozřejmě zkombinovat s jiným dielektrikem, které se nanese na jednu z elektrod – záleží na aplikaci). I při malém pohybu měřeného předmětu je změna kapacity tohoto kondenzátoru dostatečně velká. Snímače však neměří kvůli obtížnosti přímo kapacitu, ale ta je připojena k oscilátoru a měří se frekvence (přenosová charakteristika je lineární).

Optické snímače LED diodou generované světelné paprsky se ostří na čočce a jsou vysílány po ose dál (obrázek 4A, MP=měřený předmět). Osa přijímače světelných vln (nejčastěji fotodioda) je vzhledem k ose vysílače pootočena o úhel. Pokud se měřený předmět dostane do místa, kde se obě osy kříží, začnou se emitované paprsky odrážet do přijímače a fotodioda se dostane do propustného režimu.

Ultrazvukové snímače Základním principem je ultrazvukový vysílač a přijímač Vysílač generuje zvukové vlny o určité frekvenci a vysílá je po své ose(obrázek 4B). Vlny se odrážejí od měřeného předmětu zpět do přijímače. Řídící obvod poté spočítá vzdálenost na základě diference doby, po kterou vyslané vlny putovaly od vysílače k přijímači

Poznámky:

Měření teploty

Poznámky:

Teplota je jednou z nejdůležitějších veličin ovlivňující téměř všechny stavy a procesy v přírodě. Při měření teploty ϑ měříme obecně jinou veličinu A, která je na teplotě závislá podle určitého vztahu A = f(ϑ), který jsme schopni vyčíslit. Přehled teploměrů skupina teploměrů

typ teploměru

fyzikální princip

teplotní rozsah (°C)

dilatační teploměry

plynový

změna tlaku

-5

změna tenze -40 par kapalinový změna objemu -200 délková roz- 0 kovový tažnost elektrické termoelektrický -200 termoelektrické teploměry jev změna elekodporové trického odpo- -250 kovové ru odporové změna praho- -200 polovodičové, vého napětí diodové speciální keramické bod měknutí +600 teploměry žároměrky teploměrná bod tání +100 tělíska teploměrné změna barvy +40 barvy zachycení bezdotykové širokopásmové veškerého -40 teploměry pyrometry teplotního záření zachycení monokrystalické úzkého svazku +100 pyrometry teplotního záření srovnání dvou svazků teplotpoměrové +700 ního záření o pyrometry různých vlnových délkách snímání teplot-30 termovize ního obrazu tělesa tenzní

+500 +400 +750 +900 +1700

+1000

+400

+2000 +1300 +1350

+5000

+3000

+2000

+1200

Teploměry dilatační Tyto teploměry využívají objemové nebo délkové roztažnosti plynných, kapalných i tuhých látek. Měření teploty se převádí na měření tlaku, objemu nebo délky. Teploměry plynové využívají toho, že tlak plynu za stálého objemu je přímo úměrný teplotě tab.rovnice

(4.17)

Teploměr sestává z vlastního čidla - jímky (kovová banička válcového tvaru o objemu 100 až 500 cm3), dále ze spojovací kapiláry a měřicího ústrojí, které tvoří obvykle deformační tlakoměr. Nejčastější náplní je dusík, hélium nebo vzduch. Rozsah použití je od -50 °C do +500 °C. Teploměry tenzí Využívají závislosti mezi teplotou a rovnovážným tlakem v soustavě o jedné složce a dvou fázích: kapalina - pára. Závislost tenze par na teplotě je možno popsat rovnicí

,kde A, B, C jsou konstanty charakteristické pro danou látku. Tenzní teploměr se skládá z jímky, spojovací kapiláry a tlakoměrného ústrojí. Čidlem je jímka - banička malého objemu, do které zasahuje až ke dnu spojovací kapilára Banička je zaplněna kapalinou jen zčásti, prostor kapiláry a deformačního tlakoměru jsou zcela vyplněny kapalinou. Množství náplně v baničce je odměřeno tak, že při vzrůstu teploty k maximální hodnotě se vypaří všechna kapalina, tlak již dále neroste exponenciálně, ale pouze lineárně a nedojde k poškození tlakoměru

Poznámky:

Teploměry kapalinové Jsou založeny na měření změn objemu kapaliny s teplotou. Běžné jsou skleněné teploměry, nejčastěji plněné rtutí. Jsou jednoduché, spolehlivé, přesné a levné. Jejich nevýhodou, hlavně z provozního hlediska je křehkost a někdy i špatná čitelnost a obtížnost dálkového přenosu údaje. Snímač pro provozní použití je kovový a tvoří jej nádobka, spojovací kapilára a deformační tlakoměr. Nádobka je obvykle válcového tvaru o průměru asi 15 mm a délce 100 až 200 mm, někdy bývá ve tvaru šroubovice. Spojovací kapilára má vnitřní průměr 0,1 až 0,35 mm. Celý systém je zcela vyplněn kapalinou a uzavřen. Změna objemu kapaliny s teplotou působí deformaci deformačního prvku tlakoměru. Pro změnu objemu kapalin s teplotou platí , kde je Vϑ , V0 objem kapaliny při teplotách ϑ resp. 0 °C, β teplotní součinitel objemové roztažnosti (pohybuje se v rozmezí 1.10-4 K-1 až 16.10-4 K-1). Teploměry založené na roztažnosti pevných látek využívají různé délkové roztažnosti pevných látek, nejčastěji kovů. V praxi se využívá bimetalických teploměrů, které jsou tvořeny dvojicí pevně spojených kovových pásků s rozdílným teplotním součinitelem roztažnosti. Při zvýšení teploty se pásek prohne na stranu materiálu s nižším součinitelem roztažnosti. Bimetalický pásek je na jednom konci pevně uchycen, pohyb volného konce může být převeden na ukazovatel nebo přímo ovládá spínač. pro dvoupolohovou regulaci teploty. Termoelektrické teploměry Termoelektrické teploměry využívají k měření teploty termoelektrických článků. Termoelektrický článek je tvořen dvěma vodiči z různých kovových materiálů A a B, které jsou na obou koncích spolu vodivě spojeny (obr. 4.28). Jestliže teplota ϑm jednoho spoje bude různá od teploty ϑo druhého spoje, vzniká termoelektrické napětí a obvodem prochází termoelektrický proud. V zjednodušené formě můžeme závislost termoelektrického napětí na teplotě vyjádřit lineárním , vztahem kde αAB je koeficient závislý na materiálech použitých kovů, přičemž platí, že αAB = - αBA

Poznámky:

Odporové teploměry Kovové odporové teploměry Elektrický odpor kovových vodičů vzrůstá s teplotou. Pro čisté kovy je možno závislost vyjádřit polynomem Pro realizaci odporových teploměrů se používají především čisté kovy, jejichž teplotní součinitel má být stálý a pokud možno co největší. Používanými materiály jsou platina, nikl a α.10-3 meze použití materiál [K-1] [oC] měď, jejichž teplotní součinitele a meze 3,85 Pt -200 až 850 použití jsou uvedeny v tab. 4.3. 3,93 Nejčastěji používaným materiálem 6,17 Ni -60 až 200 6,70 je platina, poněvadž může být vyrobena ve 4,26 -50 až 150 standardně čistém stavu a je fyzikálně i Cu 4,33 chemicky stálá. Nikl má výhodu vyšší citlivosti, je však méně stálý a obtížně se vyrábí ve standardní čistotě. Používá se v teplotním rozmezí od -60 ºC jen do 200 ºC, protože při vyšších teplotách dochází ke změně krystalické modifikace, provázené i změnou teplotního součinitele. Použití mědi je omezeno z důvodů snadné oxidovatelnosti a malého měrného odporu. Polovodičové odporové teploměry Polovodičové senzory teploty podobně jako kovové využívají závislosti odporu na teplotě. Mezi polovodičové odporové teploměry řadíme NTC-termistory, PTC-termistory a monokrystalické senzory teploty. NTC-termistory (negastory) jsou vyráběny spékáním oxidů Fe2O3, TiO2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO a dalších. Závislost odporu na teplotě je nelineární a odpor s teplotou klesá podle vztahu

kde jsou Ro , R odpory termistoru při teplotě To resp. T, B veličina úměrná aktivační energii.

Poznámky:

Diodové senzory teploty a integrované senzory teploty Diodové senzory teploty využívají změn vlastností PN přechodu s teplotou. Pro jejich realizaci se používá germaniových či křemíkových diod nebo tranzistoru. Germaniové snímače jsou vhodné pro měření nízkých teplot (-190 ºC i nižších). Křemíkové diody jsou vhodné pro měření v rozmezí -50 až +150 ºC (případně -150 až +300 ºC). Prahové napětí diody se mění přibližně o 2 mV/K a závislost je lineární v oblasti 15 až 45 ºC s přesností 0,03 %, v celém měřicím rozsahu pak s přesností 0,5 %. Diodová čidla mají velmi příznivé dynamické vlastnosti. Časové konstanty se pohybují v jednotkách či desetinách sekundy. Dále vykazují tato čidla velmi dobrou časovou stálost.

Pro dostatečně malý a konstantní proud I platí: pro křemíkovou diodu k = -2,1 mV/K při UA = 0,65 V při 20 ºC. U integrovaných monolitických PN-senzorů teploty tvoří vlastní senzor (PN-přechod) a elektronický převodník jediný monolitický obvod. Tyto obvody se vyrábějí v konfiguraci s napěťovým či proudovým výstupem. Výstup je lineární funkcí teploty - typicky 1 µV/K. Hlavní předností je lineární výstup v závislosti na teplotě. Diodových a integrovaných senzorů se často využívá k měření a následné kompenzaci vlivu teploty na výstupní signál u inteligentních převodníků pro monitorování různých technologických veličin.

Poznámky:

Poznámky:

Porovnání elektrických teploměrů Integrovaný senzor

Termočlánek

Kovový teploměr

Termistor

VÝHODY

•aktivní snímač •jednoduchý • levný •odolný •široce použitelný •široký teplotní rozsah

•vysoká stabilita •vysoká přesnost •lepší linearita než • u termočlánku

•vysoká citlivost •rychlá odezva •dvouvodičové zapojení

•lineární výstup •vysoká citlivost • nízká cena

NEVÝHODY

•nelineární •nízká úroveň signálu •potřeba referenčního signálu • nízká citlivost • nízká stabilita

•poměrně vysoká cena •potřeba stabilizovaného napájecího zdroje •malá změna odporu •nízká hodnota odporu • zahřívání proudem

•nelineární •omezený teplotní rozsah •křehký •potřeba stabilizovaného napěťového zdroje •zahřívání proudem

•potřeba napájení •pomalý •zahřívání proudem •omezené použití

Bezdotykové teploměry Bezdotykové teploměry doznaly v poslední době značného pokroku a rozšíření díky pokroku v elektronice a optice. Přístroje byly původně označovány jako radiační pyrometry nebo radiační teploměry, nyní často jako IČ-teploměry. Radiační pyrometry nacházely původně uplatnění v takových provozech a aplikacích, kde bylo třeba měřit vysoké teploty často v malém prostoru, kde nebylo možno použít dotykový teploměr. Jednalo se zejména o aplikace v metalurgii, chemickém a zejména silikátovém průmyslu (sklářství, cementárny, vápenky, keramický průmysl). V průběhu posledních let se aplikace IČ-teploměrů posunula k nižším teplotám, včetně měření teplot nižších než 0 ºC, takže se s nimi setkáváme v potravinářství, elektronice, průmyslu papírenském, farmaceutickém, textilním, gumárenském, při zpracování plastických hmot apod. Přenosné IČ-teploměry nacházejí široké uplatnění při detekci tepelných ztrát a poruch, při kontrole potrubních systémů, nádrží apod.

Měření tlaku

Poznámky:

Tlak vyjadřuje plošný účinek síly a je určen diferenciálním podílem síly a plochy k ní kolmé

Hlavní jednotkou tlaku je pascal (Pa). Je to tlak, který vyvolá síla jednoho newtonu rovnoměrně rozložená na ploše 1 m2, kolmé ke směru síly. Absolutní tlak je tlak měřený od absolutní tlakové nuly. Přetlak a podtlak se měří od okamžitého barometrického tlaku pb . Normální barometrický tlak je podle konvence tlak pN = 1,01325.105 Pa. U proudících kapalin a plynů přistupuje k tlaku statickému ps ještě tlak dynamický pd. Pro celkový tlak pc a pro dynamický tlak pd platí , kde je v rychlost proudícího média (m s ), ρ hustota (kg m ). Statický tlak má charakter skaláru, dynamický tlak je vektorem, u něhož orientace směru je totožná s vektorem rychlosti proudění. Přístroje pro měření tlaku se nazývají tlakoměry. Tlakoměry na měření přetlaků se označují zpravidla jako manometry, na měření podtlaků jako vakuometry a na měření tlakových rozdílů jako diferenční tlakoměry. Přístroje určené pro měření barometrického tlaku se označují jako barometry. Pro měření tlaku se využívá různých fyzikálních principů, které se liší podle charakteru převodu tlaku na výstupní signál. Technické tlakoměry můžeme rozdělit podle principu na tlakoměry hydrostatické, deformační, pístové a elektrické. -1

-3

Hydrostatické tlakoměry Princip činnosti je založen na účinku hydrostatického tlaku, který vyvozuje sloupec kapaliny o výšce h a hustotě ρ Mírou tlaku je výška kapalinového sloupce h a měření tlaku je tak převedeno na měření délek. Protože hustota kapaliny je funkcí teploty, je i údaj hydrostatického tlakoměru závislý na teplotě. Jako tlakoměrné kapaliny se používá nejčastěji rtuti, vody, příp. alkoholu či tetrachloru. Délka trubic bývá maximálně 1,5 m, a tím je dán i rozsah měření tj. např. 0,2 MPa pro rtuť, nebo 15 kPa pro vodu. Hydrostatické tlakoměry jsou většinou jednoduché, spolehlivé a přesné přístroje, používané zejména k laboratorním účelům, jejich nevýhodou je skutečnost, že neposkytují signál vhodný pro dálkový přenos a pro další zpracování v řídicích obvodech.

Deformační tlakoměry Princip funkce deformačních tlakoměrů je založen na pružné deformaci, a tím i na změně geometrického tvaru vhodných tlakoměrných prvků, vlivem působení měřeného tlaku. Nejčastěji používanými deformačními prvky jsou Bourdonova trubice, membrána, krabice a vlnovec. Deformační prvky se zhotovují z uhlíkových a niklových ocelí, z mosazi, z fosforového a beryliového bronzu a dalších vhodných slitin.

a) Bourdonova trubice b) membrána

c) krabice

d) vlnovec

Membránové tlakoměry používají jako tlakoměrného elementu kovové membrány kruhového tvaru zvlněné soustředěnými kruhy. Membrána je sevřena mezi dvěma přírubami a z jedné strany je přiváděn měřený tlak. Ten vyvolá průhyb membrány, který se přenáší na ukazatel. Závislost zdvihu na tlaku je přibližně lineární. Výhodou membránových tlakoměrů jsou malé setrvačné hmoty systému. Takové snímače jsou vhodné pro měření velmi rychle pulsujících tlaků. Membrána snímače je velmi tenká, má malý průměr a její deformace jsou snímány elektricky (např. kapacitně, indukčně či piezoelektricky). Krabicové tlakoměry se používají pro měření malých přetlaků, podtlaků či tlakových diferencí. Měřicím prvkem je krabice tvořená dvěma zvlněnými membránami o průměru 50 až 100 mm. Deformace se přenáší pákovým převodem na ukazovatel. Měřicí rozsah bývá 10 Pa až 1 000 Pa. Pro zvýšení citlivosti se spojuje několik krabic v jeden konstrukční celek. Tlakoměrné krabice se používá i v přístroji sloužícím pro měření barometrického tlaku, v tzv. aneroidu. V tomto případě je prostor krabice neprodyšně uzavřen, evakuován a měřený barometrický tlak působí na krabici zvnějšku.

Poznámky:

Vlnovcové tlakoměry se používají pro měření přetlaků a tlakových diferencí do 0,4 MPa. Tlakoměrným prvkem je tenkostěnný kovový měch - vlnovec, který je umístěn v pouzdře, do něhož je přiváděn měřený tlak. Deformace vlnovce se přenáší táhlem na ukazovatel. Odolnost proti deformaci (tuhost vlnovce) lze snadno zvětšit vložením pružiny. Dojde tak úpravě charakteristiky a měřicího rozsahu tlakoměru. V případě měření tlakové diference se větší tlak přivádí do pouzdra, menší do vlnovce. Tlakoměry elektrické Do této skupiny jsou zařazeny takové snímače tlaku, které poskytují elektrický výstupní signál. Jedná se vesměs o moderní a perspektivní snímače doplněné moderními elektronickými vyhodnocovacími obvody. Snímače s odporovými tenzometry Odporový tenzometr je odporový senzor, u něhož se využívá tzv. piezorezistivního jevu. Při mechanickém namáhání v oblasti pružných deformací dochází u kovových vodičů nebo polovodičů ke změnám jejich elektrického odporu. Pružnými deformacemi rozumíme takové síly, které působí v mezích platnosti Hookova zákona a jsou zpravidla vyvolány tlakem nebo tahem. Při deformaci vodičů a polovodičů dochází ke změnám geometrických rozměrů a ke změnám krystalografické orientace, které vedou ke změně odporu. Princip odporového tenzometrického snímače si ukážeme na deformaci odporového drátku o délce l, průřezu S (průměru d) a měrném odporu ρ, který je podroben účinku síly F tak, že se prodlouží o délku ∆l . Odporových tenzometrů se používá k měření malých i velkých deformací, mechanických napětí, sil, momentů, namáhání a ostatních veličin, které můžeme převést na výše uvedené veličiny. Tenzometrů je tedy možno využít např. pro měření tlaku ve spojení s deformačními manometry nebo pro měření výšky hladiny a měření množství na základě tíhových účinků. Pro zjišťování směru měřeného mechanického napětí se používá více jednoduchých snímačů vzájemně úhlově pootočených.

Poznámky:

Piezoelektrické snímače tlaku Při působení mechanických deformací dochází u některých druhů krystalů ke vzniku elektrického náboje. Tento děj je reciproký; přiložením střídavého elektrického pole se krystal mechanicky rozkmitá. Uvedené vlastnosti vykazuje např. křemen, titaničitan barnatý a olovnatý, některé makromolekulární látky a jiné. V praxi se nejčastěji

využívá vlastností SiO2 a BaTiO3. Piezoelektrický modul křemene má poměrně malou hodnotu, avšak předností křemene je lineární statická charakteristika, nepatrná závislost piezoelektrické konstanty na teplotě, velký měřicí rozsah, který je dán mechanickou pevností krystalu a široké teplotní rozmezí (maximálně do 550 ˚C). Kapacitní snímače tlaku Základem kapacitního snímače je dvou nebo víceelektrodový systém, jehož parametry se mění v důsledku působení měřené neelektrické veličiny. Pro měření tlaku se využívá kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně vzdálenosti mezi deskami. Např. jedna elektroda kondenzátoru je pevná a druhá je tvořena membránou, jež mění svou polohu v důsledku působení měřeného tlaku.

Poznámky:

Měření výšky hladiny Přístroje pro měření stavu hladiny můžeme rozdělit do tří hlavních skupin: • stavoznaky mechanické, • stavoznaky hydrostatické, • stavoznaky elektrické. Mechanické hladinoměry Pro otevřené nádrže se používají plovákové hladinoměry. Pohyb plováku, který plave na hladině měřené kapaliny, je vyveden z nádrže přes kladku lankem nebo řetízkem, obvykle ve spojení s protizávažím. Plovák zavěšený na lanku či řetězu je obvykle veden tak, aby nedocházelo k jeho rozkývání při neklidné hladině. Výška hladiny, tj. poloha plováku se určuje buď přímo odečtením polohy protizávaží na podložené stupnici, nebo se převádí na elektrický signál pomocí převodníku. Vhodným převodníkem může být odporový vysílač mechanicky spojený např. s kladkou plovákového snímače. Odporový vysílač je speciálně uzpůsobený měřicí potenciometr, u něhož se působením měřené veličiny mění poloha kontaktu (jezdce), který se posouvá po odporové dráze. Snímače tohoto typu jsou jednoduché a spolehlivé. Musí být dokonale mechanicky provedeny, aby vykazovaly malý třecí moment a dlouhou životnost.

Plovákové hladinoměry

Poznámky:

Hydrostatické hladinoměry Výška hladiny h se vyhodnocuje z hydrostatického tlaku p sloupce kapaliny v nádrži.

Elektrické hladinoměry V této skupině přístrojů uvedeme hladinoměry využívající změn kapacity a odporu, dále pak hladinoměry ultrazvukové, radarové a izotopové. Kapacitní hladinoměry Kapacitní hladinoměry převádějí měření hladiny na měření kapacity. Těchto snímačů se používá jak ke kontinuálnímu měření, tak i k signalizaci mezních stavů hladiny kapalin i sypkých hmot. Konstrukce snímače závisí jednak na vlastnostech měřeného média, jednak na tvaru nádoby. U kapalin elektricky nevodivých se využívá kapacitního snímače, u něhož dochází ke změně dielektrika.

K vyhodnocení změn kapacity se používá metody přímé, substituční, rezonanční anebo některého můstkového zapojení. S měřicím obvodem se kapacitní snímač, který má obvykle velkou impedanci, spojuje speciálním měřicím kabelem. U současně vyráběných snímačů bývají elektronické vyhodnocovací obvody zabudovány přímo v připojovací hlavici snímače. Snímač pak poskytuje analogový nebo číslicový signál vhodný pro dálkový přenos a další zpracování.

Poznámky:

Vodivostní hladinoměry Vodivostní hladinoměry jsou tvořeny elektrodami umístěnými v nádrži s vodivou kapalinou. Měří se změna elektrického odporu (resp. vodivosti) se změnou výšky hladiny. Přesnost je silně závislá na změnách složení, vodivosti i teplotě média. Vodivostních snímačů se používá zejména k signalizaci mezních stavů a k dvoupolohové regulaci.

Ultrazvukové hladinoměry Princip ultrazvukových hladinoměrů je založen na měření dráhy ultrazvukového impulsu mezi vysílačem a přijímačem. Nejčastěji se měří tak, že se ultrazvukový impuls odráží od fázového rozhraní a měření délky dráhy se převádí na měření času.. Senzor stavu hladiny tvoří: • generátor a vysílač ultrazvukového signálu • přijímač ultrazvuku a zesilovač signálu • elektronické vyhodnocovací zařízení

Údaj ultrazvukového hladinoměru je ovlivňován hustotou a teplotou prostředí, přítomností míchadla, tvarem a kvalitou povrchu vého rozhraní, přítomností pěnyfázového i činnostírozhraní, míchadla. přítomností Poněvadžpěny rych-i lost ultrazvuku závisí na hustotě a tedy i na teplotě prostředí, bývají přesné ultrazvukové hladinoměry vybaveny příslušným korekčním obvodem.

Poznámky:

Radarové hladinoměry Radarové snímače hladiny využívají podobný princip jako ultrazvukové hladinoměry. V tomto případě nejde o akustický signál, ale o elektromagnetické vlnění (mikrovlnné záření), které se šíří prostředím rychlostí světla. Měří se čas potřebný k průchodu elektromagnetických vln z vysílače k hladině a zpět k přijímači. Elektromagnetické záření o frekvenci kolem 10 GHz je směrováno do prostoru pomocí antény. Vyslaná vlna se na fázovém rozhraní částečně odrazí zpět k vysílači a částečně dále prochází do druhého prostředí. Z časového údaje mezi vyslanou a přijatou vlnou se stanoví výška hladiny Izotopové hladinoměry Izotopové hladinoměry využívají skutečnosti, že intenzita radioaktivního záření klesá úměrně s tloušťkou vrstvy materiálu mezi zářičem a detektorem. Jejich nevýhodou je nutnost ochrany obsluhy před účinky radioaktivního ozáření. Aplikace těchto přístrojů přichází proto v úvahu tehdy, když není možno užít jiných metod, tj. např. při měření látek silně agresivních, viskózních, při extrémně vysokých tlacích a teplotách. Radioaktivní zářič 1 je uložen v ochranném pouzdru ve spodní části pomocné trubky 2, propojené s nádrží. V horní části trubky je umístěn detektor 3. Jako zdrojů gama-záření se používá izotopů s relativně dlouhým poločasem rozpadu (např. Co 60 či Cs 137), aby nebylo zapotřebí provádět často kalibraci. Gama-paprsky silně pronikají materiálem, ale nemají schopnost jej aktivovat (vyvolávat jeho radioaktivitu), a proto je lze používat pro účely měření, a to i v potravinářském průmyslu. Důležitou předností použití gamapaprsků pro měření hladiny kapalin a sypkých látek je možnost použití zářiče i přijímače vně stěn zásobníku. Detektorem bývá zpravidla Geiger-Müllerova trubice nebo scintilační detektor.

Poznámky:

Měření průtoku a proteklého množství Pro měření průtoku a proteklého množství plynů a kapalin existuje velké množství rozličných přístrojů, které využívají celé řady fyzikálních principů. Existence celé řady různých průtokoměrů je podmíněna tím, že existují velké rozdíly v chemických i fyzikálních vlastnostech průmyslových tekutin a rovněž se značně odlišují podmínky i účel měření. Objemová měřidla Objemová měřidla jsou založena na principu odměřování objemu plynu nebo kapaliny v odměrných prostorách. Můžeme je rozdělit na měřidla s nespojitou funkcí, kde průtok je určen přírůstkem objemu za určitý časový interval a měřidla se spojitou činností. Spojitá měřidla mají několik odměrných prostorů, které se cyklicky plní a vyprazdňují tak, aby průtok byl spojitý a měření plynulé. Měřítkem objemového průtoku je počet cyklů za jednotku času. Přístroje bývají vybaveny počítadly proteklého množství a používají se především jako měřidla bilanční a měřidla pro obchodní a odběratelskou síť. Některé typy objemových měřidel slouží jako etalony pro ověřování jiných průtokoměrů. Průtokoměry s měřením tlakové diference Rychlostní sondy Rychlostní sondy využívají závislosti dynamického tlaku proudícího média na rychlosti proudění. Nejjednodušší rychlostní sondou je Pitotova trubice. Je to trubice zahnutá v pravém úhlu a rovina jejího ústí stojí kolmo k ose proudění. U ústí sondy se zbrzdí rychlost proudění prakticky k nule a veškerá kinetická energie přejde v energii potenciální. Sonda snímá celkový tlak pc, který je součtem tlaku statického ps a dynamického pd. Statický tlak se snímá na okraji potrubí, tj. v jiném místě než se snímá tlak pc, což je hlavní nevýhodou Pitotovy trubice.

Rychlost proudící tekutiny pak vypočteme

Prandtlova trubice je konstrukčně uzpůsobena tak, že měří tlak pc i ps v jednom místě. Rychlostních sond se používá k různým krátkodobým měřením a hlavně pak k proměřování rychlostních profilů. Spodní mez měřené rychlosti rychlostními sondami je dána měřitelností dynamického tlaku. U plynů je to rychlost proudění asi 6 m/s, u vody asi 0,2 m/s.

Poznámky:

Průřezová měřidla Princip měření využívá jevů, ke kterým dochází při zúžení průtočného průřezu. Do potrubí se umístí škrticí orgán zužující průtočnou plochu. Rozdíl statických tlaků, snímaný diferenčním tlakoměrem před a za zúžením, je závislý na velikosti průtoku. Měření průtoku škrticími orgány patřilo mezi nejčastěji používanou provozní metodou pro měření průtoku kapalin i plynů ve velmi širokém rozmezí teplot a tlaků. V současné době se často místo průřezových měřidel užívá moderních metod s přímým elektrickým výstupem (např. průtokoměry indukční, ultrazvukové, vírové). Škrticí orgány můžeme rozdělit do dvou skupin. V první skupině jsou tzv. základní škrticí orgány, pro něž existují natolik zpracované a experimentálně ověřené výpočtové podklady, že pro dané podmínky měření lze řešit měřidla pouze početně, aniž by bylo nutno provádět kalibrační měření. Druhou skupinu tvoří speciální škrticí orgány, které obecně nelze řešit pouze výpočtem, ale obvykle je zapotřebí provést i kalibrační měření.

Kapilární průtokoměr Kapilární průtokoměr se používá hlavně v laboratoři k měření malých průtoků. Jako škrticího elementu se využívá kapiláry a rozdíl tlaků se snímá vhodným diferenčním tlakoměrem. Pro laminární tok kapilárou

platí Hagen-Poiseuillova rovnice

Poznámky:

Kolenový průtokoměr Kolenový průtokoměr je založen na měření rozdílu tlaků, který vzniká při průtoku tekutiny zakřiveným kanálem. Proudí-li plyn nebo kapalina kolenem, zabudovaným v přímém úseku potrubí, pak vlivem působení sil, vyvolaných změnou směru proudu, dochází ke změně v rozložení rychlostí a statických tlaků v radiálním směru zakřivení. Důsledkem toho je zvýšení tlaku na straně většího oblouku a snížení tlaku na straně menšího oblouku v porovnání s tlakem v přímé části potrubí. Tlakový rozdíl mezi určitými body oblouků je funkcí rychlosti proudících částic a tedy funkcí průtoku. Největší tlakový rozdíl je v ose souměrnosti kolena, kde se také měří diferenčním tlakoměrem.

Průtokoměry turbinkové a lopatkové Nejběžnější typy průtokoměrů této skupiny jsou odvozeny od turbinky, lopatkového nebo šroubového kola, které je uváděno do otáčivého pohybu silovým účinkem proudící kapaliny. Rychlost otáčení je úměrná střední rychlosti proudění. Závislost frekvence otáčení na průtoku je popsána Eulerovou turbinovou rovnicí, která vede k jednoduchému tvaru

Poznámky:

Indukční průtokoměry Indukční průtokoměry jsou založeny na využití Faradayova zákona o elektromagnetické indukci při pohybu vodiče v magnetickém poli. U indukčního snímače průtoku pohybující se vodič je představován elektricky vodivou kapalinou. Permanentní magnet nebo elektromagnet vytváří magnetické pole, které prochází potrubím i kapalinou. Úsek potrubí mezi póly magnetu musí být z neferromagnetického materiálu. Na vnitřním průměru trubky jsou zabudovány, kolmo na směr magnetických siločar, dvě elektrody pro snímání indukovaného napětí Ultrazvukové průtokoměry Ultrazvukové průtokoměry můžeme rozdělit do dvou skupin: • průtokoměry využívající Dopplerova jevu, • průtokoměry, u nichž se měří doba průchodu ultrazvukového signálu. Průtokoměr založený na Dopplerově jevu lze použít v případě, že proudicí médium obsahuje částice odrážející zvuk, tj. např. pevné částice či bubliny vzduchu. Bez těchto částic nemůže průtokoměr tohoto typu pracovat. Průtokoměr se skládá z vysílače a přijímače ultrazvuku, které jsou připevněny na jedné straně potrubí.

Poznámky:

Průtokoměry, u nichž se vyhodnocuje doba šíření ultrazvukového signálu, se konstruují nejčastěji v diferenčním zapojení. Ultrazvukový signál se vysílá jednak ve směru a jednak proti směru proudění.

Ultrazvukové signály jsou vysílány ve formě impulsů a vyhodnocují se časové rozdíly při průchodu impulsů v obou směrech šíření. V potrubí jsou zabudovány dvě dvojice vysílače a přijímače ultrazvuku. Vysílač V1 vysílá impulsy ve směru proudění, vysílač V2 proti směru proudění. Ultrazvukový impuls vyslaný vysílačem V1 se šíří rychlostí c + v cos α, kde c je rychlost šíření ultrazvuku v daném prostředí a v je střední rychlost proudicího média. Časový interval mezi vyslá-

ním a příjmem impulsu bude Pro druhou dvojici vysílače V2 a přijímače P2 bude platit

Pro rozdíl časových intervalů

∆t = t2 - t1

lze odvodit vztah

Poznámky:

Poznámky:

Měření složení Měření hustoty kapalin Hustoměry na principu vážení určitého objemu kapaliny vychází z definice hustoty. Hlavní součástí je nádoba tvaru ležaté U-trubice, kterou protéká měřená kapalina. Tato trubice je spojena pružnými spojkami s přívodem a odvodem vzorku a je otočně zavěšena. Při vážení trubice se využívá buď pneumatického převodníku nebo elektromagnetického způsobu kompenzace tíhového působení. Hustoměry hydrostatické využívají závislosti hydrostatického tlaku na hustotě a lze je velmi snadno sestavit z běžně dostupných součástí. Pro závislost platí vztah: a při zachování konstantní výšky h bude hydrostatický tlak přímo úměrný hustotě. Velmi rozšířené jsou hustoměry vztlakové, využívající Archimedova zákona. Jednodušší přístroje pracují na principu areometru. Plovák, obvykle skleněný, má uvnitř zatavenu tyčinku z měkkého železa a jeho poloha se snímá indukčním vysílačem. U provozních přístrojů se používá nejčastěji zcela ponořeného tělesa, u něhož je síla vztlaku v rovnováze s direktivní silou, která je vyvolávána pružinou. Poloha tělesa se snímá indukčním snímačem (diferenční transformátor). Děrovaná přepážka chrání měřicí těleso před dynamickými účinky proudící kapaliny. U některých typů přístrojů je direktivní síla vyvolávána elektromagneticky. Teplotní závislost hustoty se kompenzuje např. elektrickým obvodem s odporovým teploměrem. Tyto hustoměry, vybavené korekčním obvodem pro teplotní závislost hustoty, patří mezi velmi přesné provozní přístroje a dosahují správnosti 1.10-4 kg m-3.

K provoznímu měření hustoty se dále využívá snímačů s radioaktivním zářičem. Pro zeslabení intenzity radioaktivního záření, které prošlo vrstvou kapaliny o tloušťce d a hustotě ρ platí

kde Φ0 , Φ je tok záření vystupující ze zdroje, resp. z měřeného prostředí, µ hmotnostní součinitel zeslabení (m2.kg-1).

Snímače s radioaktivním zářičem jsou vhodné i pro měření za velmi náročných a těžkých provozních podmínek. Měřené médium by nemělo obsahovat plynové bubliny; rovněž usazeniny na stěnách způsobují značné chyby měření. Snímače tohoto typu umožňují měřit hustotu kapalin se značným obsahem nečistot, kapalin silně viskózních, za vysokého přetlaku i podtlaku.

Poznámky:

Princip ultrazvukových snímačů hustoty je založen na stanovení rychlosti šíření ultrazvukových vln v měřeném médiu. Rychlost šíření v se určuje z času τ, který potřebuje ultrazvukový puls na překonání vzdálenosti L mezi vysílačem a přijímačem ultrazvuku: Základními prvky ultrazvukového snímače hustoty jsou tedy vysílač a přijímač ultrazvuku, které jsou konstruovány nejčastěji na bázi piezoelektrických měničů. Integrální součástí ultrazvukového snímače hustoty bývá i senzor teploty, jehož signál slouží k automatické korekci výstupního signálu.

Aplikační možnosti snímačů hustoty. Měření hustoty je v praxi velmi rozšířené a paleta využitelných měřicích principů i komerčně vyráběných přístrojů je široká. I když vztah mezi hustotou a složením analyzované směsi platí především pro binární směsi, lze často měřením hustoty získat cenné informace o složení a charakteristických vlastnostech i u řady složitějších směsí. Při výběru určité měřicí metody a přístroje vhodného pro daný účel je třeba zvážit celou řadu okolností důležitých pro rozhodnutí. Volba při výběru vhodného hustoměru se zpravidla řídí podmínkami, kterým musí hustoměr vyhovět v daném konkrétním případě.

Poznámky:

Měření viskozity Měření viskozity souvisí v řadě aplikací s měřením chemického složení. Mezi typické aplikace, kde se využívá měření viskozity k řízení procesu, patří výroba lepidel, barev a laků, olejů, farmaceutických a kosmetických přípravků a produktů potravinářského průmyslu. Konzistence řady látek, u nichž lze využít vztahu mezi požadovanou vlastností a viskozitou, může být řízena právě prostřednictvím viskozity. K měření viskozity se používají viskozimetry různých fyzikálních principů a konstrukcí: • viskozimetry průtokové (kapilární), • viskozimetry rotační a vibrační, • viskozimetry tělískové. Průtokové viskozimetry jsou založeny na měření tlakové ztráty v kapiláře při laminárním proudění kapaliny kapilárou. Kapilární viskozimetr pracuje na principu Hagen-Poiseuillova zákona, podle kterého platí

kde je η dynamická viskozita, r poloměr kapiláry, l délka kapiláry, QV objemový průtok a ∆p tlakový rozdíl.

Základní podmínkou správné funkce přístroje je konstantní průtok kapilárou, který je zajišťován čerpadlem a konstantní teplota, udržovaná termostatem. Vhodný snímač tlakové diference poskytuje na výstupu unifikovaný elektrický signál.

Poznámky:

Viskozimetry rotační využívají měření odporu, který klade měřené prostředí otáčivému či kmitavému pohybu vhodných těles. V ustáleném stavu platí pro moment síly M , vyvolávaný třením tělesa v kapalině vztah kde K je konstanta, ω úhlová rychlost rotujícího tělesa a η dynamická viskozita. Refraktometry Index lomu je obecně funkcí kvalitativního i kvantitativního složení prostředí. Výsledný index lomu kapalin, u nichž nenastávají žádné chemické ani fyzikální změny má aditivní charakter. Pro roztoky kapalin, u nichž dochází buď k chemickým reakcím nebo k vzájemnému ovlivňování, vznikají výraznější odchylky od aditivnosti. Mezi hustotou ρ a indexem lomu n platí vztah, který odvodili Lo-

, kde r je specifická refrakce. Pozorované zorné pole je rozděleno na světlou a tmavou oblast. Poloha rozhraní mezi světlou a tmavou oblastí závisí na velikosti mezného úhlu a tedy na hodnotě indexu lomu kapalného média. U roztoků, jejichž koncentrace se mění, dochází i ke změně indexu lomu. S rostoucí koncentrací se index lomu zvětšuje, mění se poloha rozhraní a zvětšuje se tmavá oblast. Poloha rozhraní mezi světlou a tmavou oblastí se vyhodnocuje pomocí fotoelektrických detektorů. Elektronické obvody řízené mikroprocesorem zajišťují i automatickou teplotní kompenzaci, případně linearizaci závislosti výstupní ho signálu na koncentraci.

rentz a Lorenz

Poznámky:

Elektrolytická vodivost Konduktometrické metody jsou založené na měření elektrolytické vodivosti roztoků. Jsou velmi citlivé a umožňují měřit od velmi malých až po vysoké koncentrace rozmanitých látek. Při konstrukci přístrojů není třeba složitých zařízení. Z těchto důvodů jsou i v provozní praxi značně rozšířené. Fyzikálně-chemický základ a příslušné teoretické vztahy byly probírány v předmětu „Analytická chemie“ a na tomto místě jen připomeneme, že elektrická vodivost roztoků je závislá na koncentraci iontů rozpuštěných látek. Měří se obvykle dvěma elektrodami, ponořenými do roztoku. Elektrická vodivost G je pak nepřímo úměrná vzdálenosti elektrod l a přímo úměrná jejich ploše S a měrné elektrické vodivosti (konduktivitě) γ podle vztahu: K provoznímu měření elektrické vodivosti se používá buď snímačů kontaktních nebo bezelektrodových snímačů. K měření se používá střídavého proudu a kmitočtu 50 až 5 000 Hz. Princip bezelektrodového měření vodivosti nízkofrekvenční technikou

Vazba mezi transformátory Tr1 a Tr2 je provedena závitem z izolační trubky, ve které proudí měřená kapalina. Tato vazba představuje závit nakrátko pro transformátor Tr1. Proud procházející závitem se měří pomocí transformátoru Tr2. Je možno říci, že vodivá kapalina je jednak sekundárním vinutím prvního transformátoru Tr1 a současně primárním vinutím měřicího transformátoru Tr2. Za předpokladu ideálního transformátoru (beze ztrát) teče závitem nakrátko proud , kde elektromotorické napětí E je úměrné napájecímu 1 napětí U : N Měření napětí

du Po

dosazení

bude

UM

ze

úměrné

vztahu

protékajícímu

(4.113)

prou-

dostaneme

Poznámky:

Tepelně-vodivostní analyzátory plynů Tepelná vodivost plynu patří k řadě fyzikálních konstant, které charakterizují čisté plyny. Toho se využívá u tepelně-vodivostních analyzátorů, které patří k velmi rozšířeným provozním přístrojům. Tepelnou vodivost řadíme k tzv. transportním jevům. Množství převedeného tepla Q (W) , které projde plochou S (m2) za čas t (s) je

kde je λ měrná tepelná vodivost (W m-1 K-1), dϑ/dx teplotní spád (K m-1). Z molekulárně kinetické teorie vyplývá, že tepelná vodivost plynu je tím větší, čím menší je průměr molekuly a čím vyšší je teplota a měrné teplo plynu. Tepelná vodivost vodíku a helia řádově převyšuje tepelnou vodivost všech ostatních technicky důležitých plynů. Měrné tepelné vodivosti některých plynů jsou uvedeny v tab. Za normálních podmínek je tepelná vodivost plynů v širokém rozmezí nezávislá na tlaku. Se zvyšováním teploty tepelná vodivost roste. Pro přibližný výpočet závislosti měrné tepelné vodivosti na teplotě lze použít , kde je λϑ a ϑ0 měrná tepelná vo-

vztahu

divost při teplotě ϑ a 0 ºC, A teplotní koeficient (K-1). Měrné tepelné vodivosti a teplotní koeficienty některých plynů plyn

λ0 2 1− 1− A.10 µΩ( Κ (K-1) )

A He H2 N2 O2 vzduch CO2 SO2 CH4

16,3 143,0 172,0 24,0 24,5 24,1 14,3 8,4 30,2

0,31 0,18 0,27 0,28 0,30 0,28 0,48 0,60 0,48

Poznámky:

Magnetické analyzátory plynů Analyzátory založené na měření magnetických vlastností využívají výjimečného postavení kyslíku k jeho selektivnímu stanovení v plynných směsích. Při konstrukci automatických analyzátorů se využívá buď statické metody, při které se měří síla, kterou působí nehomogenní magnetické pole na určitý objem plynu anebo dynamické metody, při které se měří proudění vznikající tzv. termomagnetickou konvekcí.

Magnetické analyzátory jsou s výjim kou několika málo plynů specifické pro kyslík. Využívá se jich zejména při kontrole spalovacích a dalších oxidačních procesů v chemickém průmyslu, hutnictví, cementárnách, teplárnách apod. Provozní magnetické analyzátory kyslíku využívají i jiných principů než je prstencová komora a vyrábí je celá řada firem. Infračervené analyzátory V automatické analýze plynů se využívá absorpční spektrofotometrie jak v ultrafialové, tak i viditelné oblasti, zejména však v infračervené oblasti spektra. Jako provozních přístrojů se nejčastěji využívá analyzátorů bezdisperzních. Bezdisperzní přístroje pracují bez rozkladu světla a využívají absorpce ve značně široké oblasti spektra. U provozních přístrojů se používá vlnových délek od 0,7 µm do 10 µm. Bezdisperzní analyzátory jsou mnohem jednodušší, levnější a mechanicky odolnější než přístroje disperzní, a proto jsou v provozním měřítku mnohem více rozšířeny. Při měření infračervené absorpce se využívá té skutečnosti, že v infračervené oblasti absorbují molekuly, které vykazují trvalý dipólmoment, tj. plyny složené nejméně ze dvou druhů atomů. Molekuly H2, O2, N2, které jsou souměrné, infračervené záření neabsorbují. U bezdisperzních analyzátorů, které pracují s neselektivním zdrojem záření se dosahuje selektivity nejčastěji použitím selektivního detektoru, a v tom případě hovoříme o tzv. přístrojích s pozitivní filtrací

Poznámky:

Poznámky:

Typy regulačních obvodů Jednoduchý zpětnovazební regulační obvod Řeší se jím většina běžných regulací. Jeho zpětnovazební charakter zajišťuje následnou korekci výsledku akčního zásahu, tedy v konečném důsledku (je-li použito regulátoru s vlastností I) úplné odstranění regulační odchylky.

Obvod dopředné regulace Namísto regulované veličiny se měří porucha (zde změna teploty) na vstupu do soustavy a z její velikosti se pak odvozuje akční zásah. Tohoto způsobu regulace se používá u soustav, které reagují pomalu a vliv poruchy by se na hodnotě regulované veličiny objevil tak pozdě, že by akční zásah nepřinesl nápravu včas. Nevýhodou tohoto zapojení je, že nemá žádnou zpětnou korekci odvozenou od měření regulované veličiny, takže nelze odstranit trvalou regulační odchylku.

Zpětnovazební regulační obvod s měřením poruchy Odstranění výše uvedené nevýhody dopředné regulace se dosahuje tím, že se obvod kombinuje se zpětnovazebním. Měření poruchy (zde průtok vody) v něm zajišťuje dostatečný časový předstih akčního zásahu a zpětnovazební část zajišťuje konečnou korekci akčního zásahu tak, aby byla odstraněna trvalá regulační odchylka.

Obvod s pomocnou regulovanou veličinou (vlečná regulace) Obvod je tvořen dvěma regulátory spojenými do kaskády tak, že jeden regulátor nastavuje hodnotu řídicí veličiny druhého a ten teprve ovládá akční člen. V našem případě to znamená, že regulátor PC udržuje konstantní tlak topné páry v parní komoře výměníku a regulátor TC zvyšuje žádanou hodnotu tohoto tlaku jestliže teplota klesne a je potřeba topit více a snižuje ji v opačném případě. Tyto obvody jsou vhodné tam, kde je třeba eliminovat několik možných poruch, tedy např. zde poruchy v přívodu topné páry a průtoku a teplotě ohřívaného média. Regulační pochod je rychlejší a dodržování žádané hodnoty regulované veličiny přesnější.

Poznámky:

Teoretický základ logického řízení Řada základních pojmů a vztahů matematické (tzv. formální) logiky je analogických s pojmy a vztahy známými algebry. Proto se také formální logika často nazývá podle jejího zakladatele Booleova algebra. Základní rozdíl je v tom, že Booleova algebra pracuje pouze se dvěma hodnotami: „pravda“ a „nepravda“, nebo také „logická jednička“ a „logická nula“. Logické proměnné a logické funkce Logická proměnná je analogií číselné proměnné, ale zatímco číselná proměnná může nabývat libovolné hodnoty z nějaké množiny (např. reálných čísel), logická proměnná může nabývat pouze zmíněných dvou hodnot. Z hlediska řízení to odpovídá určitým mezním stavům reálných zařízení, např. „otevřeno“ / „zavřeno“, „zapnuto“ / „vypnuto“, „chod“ / „klid“, ale třeba také „teplota<20oC“ / „teplota≥20oC“. Tyto stavy můžeme snadno popsat pomocí logických proměnných, např. takto: čerpadlo

log.proměnná log.proměnná teplota C T

zapnuto 1

<20oC 0

vypnuto 0

≥20oC 1

Logická funkce je opět obdobou číselné matematické funkce s tím rozdílem, že jejími argumenty jsou logické proměnné a jejím výsledkem je buď (logická) 1 nebo (logická) 0. Matematická funkce je vždy nějak definována, obvykle matematickou formulí. Pro definici logické funkce se používá dvou způsobů: • pravdivostní tabulkou, která udává hodnotu logické funkce pro každou možnou kombinaci hodnot jejích argumentů, • logickým výrazem, který se skládá z logických proměnných spojených operátory elementárních logických funkcí.

Poznámky:

Zákony formální logiky Pro operace s logickými proměnnými a výrazy platí podobně jako při aritmetických operacích určité zákony. Hovoříme o zákonech formální logiky, nebo také o zákonech Booleovy algebry. Jsou to tyto zákony (x, y, z ... logické proměnné): zákon agresivity 0 v součinu a 1 v součtu (zákon dominance) : x.0 = 0 x+1 = 1 zákon neutrality 0 v součtu a 1 v součinu (axiom): x+0 = x x.1 = x zákon o vyloučeném třetím (axiom): zákon komutativní v součtu a součinu (axiom): x+y = y+x x.y = y.x zákon asociativní v součtu a součinu (axiom): x+(y+z) = (x+y)+z x.(y.z) = (x.y).z zákon distributivní (axiom): x.(y+z) = x.y + x.z x+(y.z) = (x+y).(x+z) zákon opakování : x+x = x x.x = x zákon dvojí negace : de Morganovy zákony :

Poznámky.















































Čmejkrová, J.; Daneš, F.; Světla, J. Jak napsat odborný text. Praha: Leda, 1999. ISBN 80–85927–69–1 Lacko, B.; Beneš, P. aj. Automatizace a automatizační technika 1. Praha: Computer Press, 2000. ISBN 80-7226-246-7 Voráček, R.; Andrýsek, F. aj. Automatizace a automatizační technika 2. Praha : Computer Press, 2000. ISBN 80-7226-247-5 Beneš, P.; Chlebný, J. aj. Automatizace a automatizační technika 3. Praha: Computer Press, 2000. ISBN 80-7226-248-3 Oplatek, F.; Luner, M. aj. Automatizace a automatizační technika 4. Praha: Computer Press, 2000. ISBN 80-7226-249-1 Ročenka ELEKTRO 1994. Praha : FCC Public 1993. Ročenka ELEKTRO 1995. Praha : FCC Public 1994. Ročenka ELEKTRO 1996. Praha : FCC Public 1995. ISBN 80-901985-1-1 Ročenka ELEKTRO 1997. Praha : FCC Public 1996. ISBN 80-901985-2-X Ročenka ELEKTRO 1998. Praha : FCC Public 1997. ISBN 80-901985-3-8 Ročenka ELEKTRO 1999. Praha : FCC Public 1998. ISBN 80-901985-5-4 Ročenka ELEKTRO 2000. Praha : FCC Public 1999. ISBN 80-901985-7-0 Ročenka ELEKTRO 2001. Praha : FCC Public 2000. ISBN 80-901985-9-7 Ročenka ELEKTRO 2002. Praha : FCC Public 2001. ISBN 80-86534-00-6 Ročenka ELEKTRO 2003. Praha : FCC Public 2002. ISBN 80-86534-02-2 Časopis Automa. Praha : FCC Public. Dostupné na WWW: http://www.automa.info Internetový portál Elektrika. Dostupné na WWW: http://www.elektrika.cz

Zpracováno v Ostravě roku 2003